DE2132252C3 - Vorrichtung zum Festhalten eines Kugelkopfes in einem Hohlteil, vorzugsweise in einem Kolben einer Axialkolbenmaschine - Google Patents

Description

35

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Festhalten eines Kugelkopfes in einem Hohlteil, vorzugsweise in einem Kolben einer Axialkolbenmaschine, wobei das Hohlteil mit einem hlabkugelförmigen Sitz für den Kugelkopf und mit einem haltenden Organ für den Kugelkopf in Form eines aufgeschnittenen elastischen Ringes versehen ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DT-OS 20 19 242 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung für hydraulische Pumpen oder Motoren ist der an einem Ende eines eingezogenen Tei! aufweisende hohle Kolbenkörper an beiden Enden zunächst offen. Zum _tf Festhalten des mit der Koblenstange verbundenen Kugelkopfes wird ein erstes, die Kolbenstange umgebendes, aus zwei Teilen bestehendes Halteorgan aufgesetzt, das sich gegen den eingezogenen Teii des Kolbenhohlkörpers abstützt, v/äh-end das andere Ende des Hohlraums durch ein zv/eites, durch Bördelung !festgelegtes Halteorgan verschlossen wird. - Ein selbsttätiger Ausgleich des Spiels zwischen Kugelkopf und Sitz erfoigt hier nicht

Bei Axialkolbenmaschinen ist es bisher üblich, die Bauteilgruppe Kolben-Gleitschuh mit der Antriebsscheibe durch eine Feder oder durch dauernd auf den Kolben ausgeübten hydraulischen Druck in Verbindung zu halten. Aus Gründen der sicheren Wirkungsweise ist es jedoch zweckmäßig, diese Verbindungsmittel durch eine mechanische Festhaltevorrichtung zu ersetzen.

Aus der CA-PS 5 32 921 ist eine Kugelgelenkverbindung zweier Stangen bekannt, bei der zur lösbaren Verbindung beider Teile, das Geienklager mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung für eine Rückhaltefeder versehen ist, die den Kugelkopf in seinem Sitz festhält Die bekannte Vorrichtung erlaubt also nicht, das zufällige Herausziehen des Kugelkopfes aus seinem Sitz infolge einer Zugbeanspruchung zu verhindern.

Die US-PS 20 10 367 betrifft eine Kugelgelenkverbindung an der Gangschaltung eines Kraftfahrzeugs, bei der ein der Kugelform des unteren Schalthebel-Endes angepaßter Haltering mittels eines in einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung der Lagerung angeordneten Sprengringes, den Kugelkopf auf seinen Sitz preßt. Zum Ausbau des Schalthebels ist im Lagergehäuse ein Schlitz vorgesehen, durch den zwecks Herausnahme des Sprengringes ein Schraubenzieher eingeführt werden kann. - Eine riehtungswechselnde Belastung des Kugelkopfes tritt hier nicht auf.

Aus der DT-PS 10 07 577 ist eine Kugelgelenkverbindung zwischen Kolben und Kolbenstange bei hydraulischen Getrieben bekannt, bei der zum leichten Einführen eines im Innern des Kolbens liegenden Sprengringes die Kolbenstange selbst als Einführungswerkzeug ausgebildet ist, indem zwischen Kolbenstange und ihrem Kugelkopf eine Nut und ein Bund vorgesehen sind, der die Mitnahme des Sprengringes bei der Einführung gewährleistet. Da die Anordnung für hohe Betriebsdrücke bestimmt ist, sind die Reibungsverluste und die damit verbundenen Verschleiß- und Heißlaufgefahren sehr groß. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß zwischen Kolben und Kolbenstange eir. nicht kontrollier- und einstellbares Spiel verbleibt, das die Arbeitsweise des Getriebes beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Festhalten eines Kugelkopfes der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der ein selbsttätiger Ausgleich des Spiels zwischen Kugelkopf und Sitz sowie eine Klemmwirkung erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sitz eine Fläche in Form eines Kegelstumpfs aufweist, dessen große Basisfläche in den halbkugelförmigen Boden übergeht und daß das haltende Organ sich in seinem Berührungsbereich der Kugelkopfoberfläche in der Weise anpaßt, daß mindestens eine gedachte konische Tangentenfläche gleichzeitig an dem haltenden Organ und an dem Kugelkopf in derem Berührungsbereich anliegt, wobei der Querschnitt des haltenden Organs so verläuft, daß der Unterschied der halben Spitzenwinkel der gedachten Kegelfläche, die den größtmöglichen halben Spitzenwinkel bietet, und der Kegelstumpffläche des Sitzes kleiner oder gleich der Summe der Reibungswinkel an den Berührungspunkten des haltenden Organs mit den genannten konischen Flächen ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung hat das haltende Organ mit mindestens einem Teil seiner Oberfläche Kontakt mit den Oberflächen seines Sitzes und des Kugelkopfes.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine spielfreie Montage sowie ein selbsttätiger Ausgleich des Spiels zwischen Kolben und Gleitschuh erreicht werden und der Gleitschuh zusätzlich durch eine Klemmwirkung gehalten wird. Die Einzelteile der Vorrichtung sind einfach und billig aus den den Arbeitsbedingungen der Maschine angepaßten Werkstoffen herzustellen und leicht ein- und auszubauen. Zudem werden die Kolbengleitflächen von dem mit der Drehmomentbildung zusammenhängenden Seitendruck, selbst bei großem Neigungswinkel der Antriebsscheibe, entlastet.

Die Haltevorrichtung läßt sich bei im wesentlichen

spielfreien Halterungen von jeweils zwei Bauteilen verwenden, die durch einen Kugelkopf miteinander verbunden sind und auf die Kräfte einwirken, die sie voneinander zu trennen suchen,
' Die Vorrichtung wird vorzugsweise bei Halteverbindungen zwischen Gleitschuhen und Kolben von Axialkolbenmaschinen verwendet, sie läßt sich aber auch als Halterung für die Pleuelstangen der Kolben in y/inkelpumpen oder auch als Halterung für Pleuelstangen an der Antriebsscheibe derartiger Pumpen verwenden.

; Eine Erläuterung geht aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Zeichnungen hervor, die folgendes darstellen:

Fig. 1 ein Schnittbild einer Haltevorrichtung für einen Kugelkopf;

F i g. 2 eine Drautsicht auf das haltende Organ;
j Fig.3 bis 6 schematische Darstellungen von Schnitten durch das haltende Organ und seinen Sitz;

F i g. 7 eine Ansicht einer abgeänderttn Ausführungsform der Haltevorrichtung.

_% Die Haltevorrichtung hat an dem Kolben 1 einen Sitz, dessen Drehfläche einen halbkugelförmigen Boden 2 (Radius Rt) für einen Kugelkopf 10 aufweist. Die Drehfläche des Sitzes 3 besteht aus einer Kegelstumpffläche 3a, wobei die große Basis des Kegelstumpfs über einen ringförmigen Flächenteil 3/> in den halbkugelförmigen Boden 2 übergeht.

Mit α ist der halbe Spitzenwinkel der Kegelstumpffläche3o bezeichnet.

Ein haltendes Organ, das in den Sitz 3 eingesetzt ist, wird durch einen aufgeschnittenen Ring 4 gebildet.
, Dieser Ring ist so angeordnet, daß seine Drehachse mit der Achse XX' der den Kolben führenden Ausnehmung zusammenfällt.

Der Ring dient zum Festhalten des Kugelkopfs 10 eines Gleitschuhe 5, dessen zylinderförmige Fußplatte 6 auf einer Scheibe 7 gleitend verschiebbar ist.

Die Kugelfläche des Kugelkopfs 10 geht in ein Halsteil mit dem Durchmesser Di und von dort in die Fußplatte 6 über.

Das haltende Organ besteht aus einem Ring 4, der auf einer Länge L aufgeschnitten ist (Fig,2) und der ein inneres Flächenstück aufweist, das den Kugelkopf 10 berührt.

Wie die F i g. 1,3,4,5,6 erkennen lassen, berührt ein Umfangsstück des haltenden Organs eine gedachte Kegelfläche Ct und ein anderes Umfangsstück die Kegelstumpffläche 3a des Kolbensitzes.

Bei dieser Ausführungsform hat das haltende Organ im wesentlichen einen Kreisquerschnitt, der durch einen konischen Innenteil 11 unterbrochen und dessen halber Spitzenwinkel mit β bezeichnet ist.

An seinem Ende 8 weist den Kolben 1 eine Bohrung 9 auf, die über eine öffnung 13 geringen Durchmessers mit dem Boden 2 verbunden ist; die öffnung 13 läßt zwischen dem Kugelkopf des Gleitschuhs 5 und dem Kolben 1 einen Ölfilm entstehen, der unter dem gleichen Druck steht wie der Zylinder des Kolbens 1.

Durch den Gleitschuh 5 führt eine Bohrung 14 von kleinem Durchmesser, so daß sich der gleiche Druck zwischen dem Gleitschuh 5 und der Scheibe 7, auf der er gleitet, einstellt.

Die Vorrichtung wird folgendermaßen zusammengebaut:

Zunächst wird der aufgeschnittene Ring 4 an dem Gleitschuh 5 im Bereich des Halsteils angebracht, indem der Ring so weit gespreizt wird, daß seine öffnung L gleich dem Durchmesser D\ des Halsteils wird, Dann wird der Kugelkopf des Gleitschubs in seinen Sitz eingeführt, wobei der aufgeschnittene Ring 4 sich noch

s im Bereich des Halsteils des Gleitschuhe 5 befindet;

dann wird der aufgeschnittene Ring 4 so weit zusammengedrückt, daß sein äußerer Radius kleiner ist als der Radius /?2 der Eingangsbasis der Kegelstumpffläche 3/1, und schließlich wird der Ring 4 gegen den

ίο Kugelkopf 10 des Gleitschuhs 5 geschoben.

Der aufgeschnittene Ring 4 rückt vor, wobei er sich von selbst weitet, je nach dem zwischen Sitz 3 und Kugelkopf 10 des Gleitschuhs 5 verbliebenen Zwischenraum. Der Gleitschuh 5 kann demnach arbeiten, d, h,

(5 seine Achse kann gegenüber der Kolbenachse alle Lagen einnehmen, die in einem Kegel mit dem halben Spitzenwinkel von größenordnungsmäßig 20° liegen. Man kann auch an dem Gleitschuh 5 einen Zug ausüben, um — ohne Erfolg — zu versuchen, den Gleitschuh 5 von dem Kolben 1 zu trennen, denn durch eine geschickte Wahl der Winkel α und β (wobei β größer als « ist) wird eine Klemmwirkung erzielt, die eine spielfreie Montage des Systems erlaubt, unabhängig von den durch die Herstellungsloleranzen bedingten talsächlichen Abmessungen der Teile.

Mit 4a ist ein Halteorgan bezeichnet, das zum Halten der Gleitschuhe auf der Scheibe 7 mit dem erforderlichen Spiel bestimmt ist.
Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Zur Vereinfachung der Beschreibung sei zunächst angenommen, daß der mittlere Durchmesser des montierten Ringes 4 ebenso groß ist wie sein mittlerer Durchmesser in freier Lage und daß der Draht, aus dem er besteht, nicht tordierbar ist.

Unabhängig von der Richtung der auf den Gleitschuh 5 einwirkenden Zugkräfte verlaufen die jeweiligen iBerührungskräfte zwischen dem Kugelkopf 10 und dem Ring 4 bzw. zwischen dem Ring 4 und dem Sitz 3 des Kolbens 1 im Inneren der Reibungskegel in den Berührungspunkten Bbzw. A.

In F i g. 3 ist die Kraftwirkung Fi des Kugelkopfs des ,Gleitschuhs 5 auf den Ring 4 in einem Ringabschnitt S (Fig. 2) dargestellt, sowie die Reaktionskraft F2 des Sitzes 3 auf den Ring 4 in dem gleichen Ringabschnitt.

Wenn /i bzw. h den Reibungskoeffizienten zwischen dem Ring 4 und dem Kugelkopf 10 bzw. dem Ring 4 und dem Kolben 1 darstellen, so sind die halben Spitzenwinkel der Reibungskegel m\ und im also

-ff- -/2 =

= tgmi

tg/772.

Wird auf den Gleitschuh 5 eine auf Trägheits- und

Reibungswirkung beruhende Zugkraft ausgeübt, so sucht dieser sich von dem Kolben 1 zu trennen. Träte diese Trennung ein, so würde sich der Ring 4 mit dem Gleitschuh 5 in Richtung des Pfeils 15 entfernen und der Ring ginge dem Gleitschuh in dessen Bewegung voraus, weil der Ring wegen der Gestalt der Fläche 3a seinen Durchmesser verringern müßte, was nur möglich ist, wenn er näher an den Halsteil des Gleitschuhs gelangt.

Der Ring 4 sucht sich daher in Richtung auf den Hals

des Gleitschuhs zu verschieben. Die Richtung der Kraft Ft des Gleitschuhs auf den Ring 4 bleibt daher — bezogen auf die Richtung des Pfeils 15 — hinter der Normalen Nt im Berührungspunkt B.

Entsprechend liegt die Richtung der Kraft Fi des Sitzes 3 auf den Ring 4 — bezogen auf die Richtung des

Pfeils 1.5 — hinter der Normalen Ni im Berührungspunkt A, weil sich der Sitz 3 nicht verändert.

Damit eine Klemmwirkung auftritt, genügt es, daß die Resultierende aus den Kräften Fi und Fi NuIi ist. Da aber der Ring 4 als nicht tordierbar vorausgesetzt ist, ist das Drehmoment der Kräfte Fi und Fi nicht notwendigerweise Null. Mit anderen Worten, es reicht aus, daß die Kräfte Fi und Fi parallel zueinander wirksam sind, um eine Klemmwirkung zu erzielen, solange sie im Inneren der Reibungskegel bleiben, die durch die Winkel m\ und im definiert sind.

Die Grenze der Klemmwirkung und der Verschiebung des Ringes tritt ein, wenn die Kräfte Fi und Fi mit einer Erzeugenden ihres jeweiligen Reibungskegels zusammenfallen, wie es in F i g. 4 angedeutet ist.

Die Kräfte Fi und Fi bilden in diesem Fall mit ihren zugeordneten Normalen DB und A 0 die Schenkel der Winkel m\ und rm, wobei Fi und Fi einander parallel sind und Fi mit der Normalen DB einen Winkel m\ einschließt. Aus dem Dreieck ACD, ergibt sich, daß der Winkel zv/ischen den beiden Normalen A 0 und DB gleich β - α und auch gleich mt + rni ist.

Daraus ergibt sich als Bedingung für die Klemmwirkung:

gen des Ringes 4 gegenüber dem Sitz3 und derKugel 10 definiert sind. ··.·»■- ■■■■■

Wird der Bearbeitungsfehler mit ε bezeichnet und lsi Arder Radialabstand des Ringes, so ist: .>.<,.■■-■

e = EG cos oc-EF cos ß;

Ar = cFsin ß,

Ar = EG sin α

ίο und eine einfache Umrechnung ergibt:

Natürlich wirkt sich die Tordierung des Ringes tatsächlich als eine geringfügige Verformung unter der Wirkung des Drehmoments der Kräfte Fi und Fi aus, das eine Verschiebung des Kugelkopfs gegenüber dem Kolben herbeiführt. Diese Wirkung ist aber zu vernachlässigen. Der Widerstand gegen die Verbiegung des Ringes führt jedoch dazu, daß der Ring gegen den Sitz 3 durch eine Rückholkraft gedrückt wird, die in Richtung seiner Gleichgewichtslage im freien Zustand liegt, wenn der Ring in dieser Gleichgewichtslage einen mittleren Durchmesser besitzt, der größer ist als sein mittlerer Durchmesser in der Arbeitsstellung. Aus F i g. 5 entnimmt man, daß diese Rückholkraft Tin dem oben für Fi und Fi definierten Winkelbereich eine den Klemmeffekt begünstigende Wirkung ausübt. T steht nämlich senkrecht auf der Kolbenachse und ruft eine Verschwenkung von Fi und F? hervor, die sich den Normalen in den Berührungspunkten nähern. Dadurch wird die Klemmwirkung erhöht. Man erkennt, daß diese Erhöhung der Klemmwirkung um so größer ist, je größer Γ gegenüber Fi und Fi ist. Dadurch erhält das System eine zusätzliche Sicherheit, weil die Rückholkraft T, je mehr der Gleitschuh sich von dem Kolben entfernt, um so größer wird und die Klemmwirkung sich um so mehr verstärkt.

Man kann diese Eigenschaft offenbar ausnutzen, um den Winkelunterschied ß — ä der Tangenten im Berührungspunkt zu vergrößern und die Einstellung des Ringes und den Ausgleich des Spiels zu erleichtern.

In diesem Fall tritt die Klemmwirkung nur ein, soweit die den Gleitschuh von dem Kolben trennende Kraft unterhalb eines von der Rückholkraft T abhängigen vorgegebenen Werts bleibt.

Die Vorrichtung gleicht die von der Herstellung verbliebenen Abmessungstoleranzen aus, insbesondere das Spiel in der axialen Richtung des Sitzes 3 des Kolbens 1 gegenüber dem Mittelpunkt des Kugelkopfes 10. F i g. 6 läßt deutlich erkennen, wie der Spielausgleich vor sich geht.

Zunächst werden die Gleichungen des Dreiecks EFG aufgestellt, die durch zwei aufeinanderfolgende Stellun

Ig'/

I
Ig//

Beim Einsetzen von Zahlenwerten ergibt sich mit = 30° und «=20°

Das beweist, daß bei der Vorrichtung der Sitz nicht mit großer Genauigkeit hergestellt zu werden braucht; der Radius der den Ring bildenden Kreisfläche kann ohne Schaden um 0,1 mm variieren.

Daraus ergibt sich, daß die Herstellung der Vorrichtung keine großen Kosten verursacht. Dei Kolben mit seinem halbkugelförmigen Boden kann kaltgehämmert werden. Den Sitz 3 kann man auf einer Mehrspindeldrehbank bearbeiten, den Kolben 1 ablängen und die

öffnung 13 zwischen den beiden Ausnehmungen bohren. Nach einer Wärmebehandlung, die die Oberflächenhärte erhöhen und die Reibungsveihältnisse verbessern soll, wird die Bearbeitung durch Schleifen abgeschlossen; der Sitz kann auch durch Walzen oder jeden beliebigen anderen Kaltformvorgang hergestellt werden, solange die erforderlichen Toleranzen eingehalten werden.

Auch der Gleitschuh läßt sich mit geringem Kostenaufwand herstellen. Man kann von einem gesinterten oder geschmiedeten Rohling pus Stahl oder Bronze ausgehen, der den gleitenden Teil und die hintere Halbkugel aufweist.

Man kann den Ring aber auch schmieden, wenn m^n ihm eine dieser Technik angepaßte Föfm gibt

Für die bevorzugte Anwendung auf Axialpumpen entnimmt man aus Fig. 1, daß bei dieser Vorrichtung die Radialkraft am Kopf des am weitesten in die Kolbentrommel zurückgeführten Kolbens sich im Inneren der Trommel findet, wodurch diese Radialkraft ihren Kleinstwert erreicht, wenn der Kolben am weitesten herausgefahren ist, selbst bei einem großen Scheibenwinkel in der Größenordnung von 20°,

Bei der vorherbeschriebenen Ausführungsform wurde der Ring von teilweise kreisscheibenförmigem Querschnitt innen von einem Kegel geschnitten. Die gleiche Vorrichtung kann nach der in F i g. 7 dargestellten Weise ausgeführt werden und zwar mit einem Ring 4a beliebigen Querschnitts, geschnitten von einer dem Kugelkopf 10 des Gleitschuhs entsprechenden Kugelflä-

ehe und einer dem Sitz 3a des Kolbens entsprechenden Kegelfläche, oder, allgemein ausgedrückt, von zwei Drehflächen 11«, 13a, etwa den Tangenten Cu, Cn an die Berührungspunkte AX, BX, die zwischen sich einen Winkel {ß\ -αι) einschließen, der höchstens gleich der

Halbwinkelsumme an der Spitze der Reibungskegel in diesen Berührungspunkten ist

Der Vorteil eines Ringes mit kreisförmigem Basisquerschnitt, geschnitten von einer der Kugel 10 des

Gleitschuhs entsprechenden Kugelfläche, liegt darin, daß der Kontakt zwischen dem Ring und dem Gleitschuh, die sich ineinander gleitend verschieben, ein Kontakt zwischen zwei Flächen ist, durch den erhebliche Kräfte bei geringer Beanspruchung übertragen werden können und der gegen unregelmäßige Oberflächen weniger empfindlich ist.

Man wird daher für den Ring eine Form wählen, die von den Haltekräften, den Beträgen des erforderlichen Spiels und den Bearbeitungstoleranzen abhängt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

'",C. ''it

%&Ι\ ,«9-685/184

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   IO

   Sf I, Vorrichtung zum Festhalten eines Kugelkopfes % einem Hohlteil, vorzugsweise in einem Kolben • ί einer Axialkolbenmaschine, wobei das Hohlteil mit |einem halbkugelförmigen Sitz für den Kugelkopf jfund mit einem haltenden Organ für den Kugelkopf in ■fForm eines aufgeschnittenen elastischen Ringes :|yersehen ist, dadurch gekennzeichnet, gtiaß der Sitz eine Fläche (3a) in Form eines IKegelstumpfs aufweist, dessen große Basisfläche in fden halbkugelförmigen Boden (2) übergeht, und daß |das haltende Organ (4) sich in seinem Berührungsbejreich der Kugelkopfoberfläche in der Weise anpaßt, ifilaß mindestens eine gedachte konische Tangenten-Fläche (Ci) gleichzeitig an dem haltenden Organ (4) iund an dem Kugelkopf (10) in derem Berührungsbegreich anliegt, wobei der Querschnitt des haltenden Organs so verläuft, daß der Unterschied (ß-oc) der halben Spitzenwinkel der gedachten Kegelfläche (Ci), die den größtmöglichen halben Spitzenwinkel (ß) bietet und der Kegelstumpffläche (3a) des Sitzes kleiner oder gleich der Summe (m\ + rm) der Reibungswinkel ?n den Berührungspunkten (B, A) des haltenden Organs mit den genannten konischen Flächen ist
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das haltende Organ (4a) mit mindestens einem Teil seiner Oberfläche Kontakt mit den Oberflächen seines Sitzes und des Kugelkopfes hat.