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K o l e n s t a n g e n f ü h r u n g s b u c h s e aus thermoplastischem
Kunststoff.
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Im Vergleich zu den metallischen Werkstoffen bilden die in neuerer
Zeit als Konstruktionswerkstoffe immer mehr.in den Vordergrund tretenden thermoplastischen
Kunststoffe der chemischen Industrie eine vielschichtigere Materie. Sie haben einen
sehr hohen Entwicklungsstand erreicht und bieten viele wirtschaftliche und konstruktive
Vorteile. Im Schrifttum finden sich bereits zahlreiche teröffentlichungen, die wahre
Wunderdinge zum Thema "Maschinenelemente aus thermoplastischen Werkstoffen" offenbaren.
Interessant sind diesbezüglich insbesondere die fadenförmigen Polymerisationsproduktes
Polyamid 6,6 (Nylon), Polycarbonat (Xakrolon) und Polyoxymethylen (POM), letzteres
besser bekannt unter dem Handelsnamen "Ulraform". Diese Stoffe zeichnen sich durch
hohe mechanische Festigkeit, erstaunliche Zähigkeit und außerordentlich gute Gleiteigenschaften
aus. Infolge ihrer niedrigen Gleitreibwerte und hoher V,erschleißfestigkeit bewähren
sie sich-hervorragend als Gleitlager, Gleitbahnen und Gleitateine. Selbst bei völlig
fehlender Schmierung tritt kein Fressen wie bei metallischen Gleitwerkstoffen auf.
Es wird von Lagerschalen und Gleitbahnen berichtet, die jahrelang im Einsatz standen,
ohne merklichen Versschleiß anzuzeigen. auch ihre metallischen Gleitpartner unterlagen
bei sauberen Betriebsverhältnf saen keinen Verschleiß. In unreiner Umgebung wiesen
diese bedeutend weniger Verschleiß auf als beim Gleiten auf metallischen Werkstoff,
da die zwischen die Gleitflächen kommenden Staub-oder Sandpartikel in die nachgiebige
Fläche des Kunstoffes dringen und ihre Abriebwirkung einbüßen. Eine wichtige Begleiterscheinung
fUr Kolbenstangen, die oft in staubiger oder schmutzgefährderter Umgebung arbeiten
müssen.
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Wenn die o.g. Chemiewerkstoffe bisher nicht nennenswert als Kolbenstangenführungsbuchse
zum Einsatz kamen, s so liegt dies daran, daß sie neben ihren hervorragenden Merkmalen
auch eine nachteiliege Eigenschaft besitzen, die ihre Verwendung als Yerbundwerkstoffe
mit Metallen beeinträchtigt. Ihr Wärmeausdehnungskoefizient ist nämlich 8 bis 10-
mal größer als der Koefizient der Metalle. Praktisch hat dies zur Folge, daß z.B.
das Lagerspiel eines Gleitlagers von 56 mm Durchmesser und 6 mm Wanddicke o,5 mm
betragen muß, um sicherzugehen, daß bei 70° 0 Betriebstemperatur der Lagerzapfen
nicht in der Lagerschale festklemmt und sie zerstört. (Die Lagerschale kann sich
nicht am Umfang auswärts dehnen, da sie in die Gehäsebohrung fest eingepasst ist.
Das Material muß nach innen ausweichen und verringert das Lagerspiel bis zum Festklemmen
des Zapfens, wena eg zu klein bemessen ist.) Bei Kolbenstagen ist ein derart großes
Spiel der Führungsbuchsen in der Regel unstatthait. Sie müssen gegenseiting abgedichtet
werden.
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Exentrisch oder unstabil geführte Kolbenstangen, als Folge des großen
Lagerspiel., lassen dies Jedoch nur beschränkt su.
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Sie nachen die zur Zeit verwendeten Dichtelemente-schnell durchlässig.
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Mit vorliegender Erfindung wird die Aufgabe verfolgt, eine genau führende
Kolbenstangenführungsbuchse zu schaffen, die aus einer der vorgenannten Kunststoffe,
oder aus einet in den Eigenschaften ähnlichen Werkstoff besteht.
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Als Aufbaubasis dient die Pat. Offenlegungsschrift P 1 675 299. 1
- 12 von 19. März 1968. Mit dieter Schrift wird ein Kolbenstangenführungsbuchse
dargestellt, die ohne der üblichen Passtoleranzen eine genaue zentrische Lage in
der Bohrung des Zylinderkopfes einnimmt und dadurch die Feinstbearbeitung so der
Buchse wie der Bochrung des Zylinderkopfes überflüssig macht. Hierdurch und durch
Wegfall von Maßkontrellen und auch durch Verringerung des Ausschusses ermäßigen
sich bedeutend die Herstellungskosten. Pig. 2 veranschaulicht eine solche Führungsbuchse
eingebaut in den Kopf einen Hydraulischen Arbeitszylinders.
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In wesentlichen besteht die Buchse 4 aus einem mit Gewinde gängen
versehenen zylindrischen Teil 5 und aus einem schulterartig, erweiteren Bund 6,
der sich mit einer Kegelfliche 7 in eine passende kegelige Andrekung des Zylinderkopfes
8 anlegt. Zwischen den Teilen 5 und 6 ist eine Fixierschraube 9 angeordnet. Die
Zahl 10 bezeichnet eine in die Führungsbuchse fest eingesetzte Gleithülse aus metallischem
Werkstoff. 11 bezeichnet einen Dichtring, 12 einen Abstreifring. Die genaue Zentrierung
der Führungsbuchse wird bei dieser Bauart durch das Zusainmenwirken der Gewindegänge
5 mit der kegeligen Anleger fläche 7 beim Einschrauben und Anziehen der Führungsbuchse
erreicht.
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Mit Fig. 3 ist dieses Zusammenwiren und die dabei aufkommenden Kräfte
schematisch dargestellt. Beim zuziehen der Führungsbuchse entstehen ringsum an der
kegeligen Fläche 7 die Spannkräfte A und an den Flanken der Gewindegänge 5 entstehen
ebenfalls ringsum die Spannkräfte a. Durch die Neimn. der Kegelflache 7 teilen sich
die Kräfte A in die zentralierichteten Komponenten B und in die zur Inlegefläche
7 normalgerichteten Komponenten C. Durch die Neigung der Gewindeflanken 5 teilen
sich die Kräfte a ebenfalls in die zentralgerichteten Komponenten b und in die zu
den Flanken normalgerichteten Komponenten C. Bei starkem Anziehen muß sich die Führungsbuchse
so weit nach rechts oder linke versetzen bis sich die komponentalen Kräfte 3 und
b rings um die Buchse ausgleichen. Die Führungsbuchse wird dadurch gezwungen, eine
genau flucht ende und zentrische Lage in der Bohrung des Zylinderkopfes einzunehmen,
und zwar mit einem Effekt, der einem -festen Preßsitz ähnlich ist. Die Fixierschraube
9 sichert die Führungsbuchse in ihrer festgezogenen tage. Damit ist der Preßsitz
dauerhaft gesichert.
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Fig. 4 stcllt eine Kolbenstangenführungsbuchse gemäß vorliewender
Erfindung dar. Auch einer wird des Zussamenwirken der" konischen Anlegefläche 7'
mit den Gewindegängen 5§ zum genauen Zentrieren der Führungsbuchse genutzt. Wo es
aber bei der Führungsbuchse aus metallischen Werkstoffen nur um
Vereinfachung
und Verbilligung der Herstellung acht, stehen bei der Führungsbuchse aus thermoplastischen
Werkstoffen neben den preislichen Vorteilen funktionelle Gründe im Vordergrund.
Das im hohen Dehungskoefizient liegende Hindernis, die hervorragenden physikalischen
Eingenschaften dieser Stoffe auch ftir Führungsbuchsen nutzbar zu macnen, soll mit
dieser Konstruktion behoben werden. Verwertet wird dabei der Konstru tive Vorteil,
daß zwischen Zylinderkopf und Führungsbuchse keine engtolerierten Passungen gebraucht
werden. Die Passtoleranzen werden sogar mit Bedacht vergößert, um geeignete Dehungsräume
für den thermoplastischen Werkstoff zu schaffen.
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Hierzu wird das Gewinde auf der Führungsbuchse 0,5 % bis 3 % im Flankendurchmesser
kleiner geschnitten als das Muttergewinde im Zylinderkopf und die Steigung des Gewindes
auf der Führungsbuchse um 0-,5 g bis 2 % größer gewählt als die Steigung des Muttergewindes.
Zum Beispiels Nenndurchmesser der Verschraubung D = 76 mm Flankendurchmesser des
Muttergewindes im Zylinderkopf D2 = 72,474 mm Flankendurchmesser des Bolsengewindes
auf der Führungsbuchse d2 = 71,374 mm Steigung des Muttergewindes P1 6 mm des Bolzengewindes
P3 6,12 mm Die Vergrößerung der Steigung des Bolzengewindes hat den Zweck, die Flanken
dieses Gewindes beim Einschrauben in das Muttergewinde trotz des übergroßen Gewindespieles
fest an die Flanken-des Muttergewindes zum Anlegen zu bringen. Dies er-., folgt
infolge der Spreitiwirkung, die durch das Summieren der Steigungsdifferenzen der
einzelnen Gewindegänge entsteht.
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natürlich nur in de) Gängen an beiden Enden des Gewindes und in entgegengesetzter
Richtung. Es genügt jedoch zur provisorischen Zentrierung der Führungsbuchse.
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Als weitere Besondereicht des Gewindes 5' kommt noch hinzu, daß seine
Flanken ungleich sind.
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Fig. 5 zeigt das Gewinde in großerem Maßtabe.
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Die Kurzzeichen entsprechen der Nomenklatur nach DIN 13 Bl. 32 (Juli
1965). Metr. JSO - Gewinde.
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Sie bezeichnen: d Außendurchmesser des Bolzengewindes Td Herstelltoledranz
fdes Bolzengewindes d2 Flankendurchmesser des Bolzengewindes D Außendurchmesser
des Muttergwindes (Nenndurchmesser der Verschraubung).
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TD Herstelltoleranz des Muttergewindes D2 Flankendurchmesser des
Muttergewides H Theoretische Tiefe des Gewindeprofil3 H1 Tiefe der Gewindegänge
PM Steigung des Muttergewindes PB Steigung des Bolzengewindes a Flankenwinkel ß,γ
Basiswinkel r Rundungsradius des Gewindegrundes R Dehnungsraum für den thermoplastischen
Werkstoff, entstanden durch die Differenz der Flankendurchmesser D2 - d2 = Sp Als
Folge der ungleichen Flanken ist auch zu vermerken, daß der Flankenwinkel γ
zwar 600 beträgt, wie beim metrischen JSC - Gewinde, aber die Normale auf die Gewindebasis
teilt ihn ungleichmäßig i γ1 = 45° und in γ2 = 15° auf. Dementsprechend
sind auch die Basiswinkel ungleich ß = 45° und γ = 75°.
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Die Bevorzugung eines Gewindes mit ungleichen Flanken gegenüber einen
normalen metr. JSO - Gewinde hat folgende Gründe: a> die schon vorher erwähnte
Spaalikraft a, die beim Anziehen der Führungsbuche entsteht, wird effektvoller zum
Zentrieren der Buchse genutzt,.denn die zentralgerichtete Komponente b ist bei einem
Basisiwinkel von ß = 45° größer als bei 600 eines normalen JSO - Gewindes. Vergleiche
hierzu die graphische Kräftezerlegung a - b - c in Fig. 3 und Pig. 5.
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b.) Die Anlegeflanke der Führungsbuchse wird gegenüber der nicht
tragenden Flanke vergrößert. Es ergibt sich dadurch ein vorteilhafteres Teilungsverhältis
der Gewindebasis zwischen dem Teil unter. der Anlegeflanke und dem Teil unter dem
Dehnungsraum. Bei einem normalen JSO - Gewinde würde der Basisteil unter der Anlegeflanke
bedeutend kleiner werden, als der Teil unter dem Dehnungsraum.
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lis eine zusätzliche Abnormalität des Gewindes ist noch zu verzeichnen,
daß es linksgängig ist.
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Das Gewinde 14 zwischen Zylinderkopf 8' und Verschlußkappe 15 ist
ein normales rechtsgängiges Gewinde. Die Steigung dieses Gewindes verhält sich zur
Steigung des Gewindes der Führungsbuchse wie 1 : 2, 1 t 3 oder 1 t 4. In unserem
Beispiel 2 mm gegenüber 6 mm, also 1 t 3. Der Sinn dieser Maßnahmen liegt im folgendem:
beim Einbau der Führungebuchse wird diese in das Muttergewinde des Zylinderkopfes
geschraubt und mit Hilfe eines Hakenschlüssels, der in die Nuten 16 eingreift, fest
angezogen. Nach dem Einsetzen der
17 wird der Hakenschlüssel umgekehrt, der in die Führungsbuchse um etwa 90° zurückgedreht.
Sie wird damit um etwa 1,5 mm herausgeschraubt.
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Nun wird die Yerschlußkappe 15 aufgesetzt und bis zum Anlegen an
die Stirnfläche 18 mäßig angezogen. Wenn die Kappe dann mittels eines Hakenschlüssels
um etwa 270° gewaltsam weiter gedreht wird, weiß man, daß der kegelige Bund der
Führungsbuchse un 1,5 mm wieder zurück gedrängt ist und, daß alle Gewindegänge der
Buchse mit ihren Anlageflacken 19 an die Gegenflacken des zylinderkopfgewindes gepresst
sind. Diese Gewißheit ist gegeben dadurch, daß das Gewinde der Führungsbuchse linkegämgig
ist. Die Buchse kann
nach dem Anlegen und Weiterdrehen der Verschlußkappe mit dieser drehen.
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Sie wird axial zusammengepresst Die Gewindegänge fungieren dabei durch
sukzessives Anlegen ihrer Flanken an die Planken des Muttergewindes als Wiederlager
Man dreht dann noch etwa0 700 weiter, um auch den kegeligen Bund der Führungsbuchse
fest auf seinen kegeligen Sitz 7' zu preisen. Bei dieser Prozedur wird die verhältnismäßig
große Elastizität der thermoplastischen Werkstoffe genutzt. Sie ist etwa 100 mal
großer als die
der Metalle. Diese Elastizität sichert nun auch die
Verschlußkappe 15 gegen Zurückdrehen. Sie kann nur noch gewaltsam mittels des Hakenschlüssels
gelockert werden Die Schraube 20 und Polyamidpfropfen 21 sind eine zusätzliche Sicherung,
um allen Zweifel, ob wohl dao Verschraubungssystem auf die Dauer festhält, zu beseitigen.
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Nach dem Anziehen der Verschlußkappe 15 steht das ganze Matedal der
Führungsbuchse unter elastischer Druckspannung. Es wird entsprechend ihrem Elastizitätsmodul
und der aufgetragenen Drucklast in die Dehnungsspirale 22, in die Gewinderille 23,
24 und in dem Ringspalt 25 seitlich ausweichen Bei Herabsinken der Temperatur z.B.
von + 200 C auf - 100 C wird der Innendurchmesser der Führungsbuchse durch Schrumpfung
nicht kleiner werden, solange die Druckspannung nicht durch die molekulare Kontraktion
abgebaut und das in die Hohlraume 22 - 25 ausgewichene Material auf seinen ursprünglichen
spannungsfreiem Platz zurückgekehrt ist Bei Erhöhung der Temperatur z.3. von + 200
C auf+70° C kann sich die Führungsbuchse nicht frei dehnen. Ist doch die Anlegeflanke
19 ihrer Gewindegänge an die Gegenflanke des Zylinderkopfes kräftig angedrückt.
Das Material wird seinen elastischen Freiheiten folgend noch mehr in die Hohlräume
22 - 25 eindringen und bei ibnahme der Temperatur von dort zurückkehren. Der Innendurchmesser
der Buchse andert sich bei diesem intermolekularen Kräftespiel und Materialverschiebung
nur unbedeuten. Er stellt sich mit dem Anziehen der Verschlußkappe ein und bleibt
im weiteren Verlauf praktischen unabhängig von Temperaturschwenkunden, wenn die
Drucklast, aufgetragen durch das Anziehen der Verschlußkappe, im richtigen Verhältnis
zu den Temperaturdehnungen im angeführten Bereich der Temperaturänderungen steht.
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( - - 10° C + 200 C) und ( + 200 C + 700 C). Aufgrund des bekannten
Elastiztätsmoduls, der zulässigen Streckspannung und des ebenfalls bekannten Temperaturdehnungskoefizienten
ist es nicht schwer, dieses Verhältnis rechnerisch zu bestimmen.
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Neben den funktionellen Vorteilen, die sich vor allem im
niedrigen
Verschleiß so der Führungsbuchse wie der Kolbenstange offenbaren und eine lange
Lebensdauer der Duchtungselemente sichern, sind auch die wirtschaftlichen Vorteile,
die in den preisgünstigen Werkstoffen und .den niedrigen Herstellungskosten zur
Geltung kommen, sehr beträchtlich. Bei Serienfertigung sind für die Herstellung
der Rohlinge zwei Möglichkeiten gegeben a.) das Schleudergießverfahren b.) das Spritzgießverfahren.
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Die Genauigkeit beider Verfahren reicht aus, um das Gewinde und die
iußenfläehen der Buchse fix und fertig zu gießen.
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Das maßgenaue Drehen des Dichtungaraumes 17 Und das Kalibrieren der
Stangebohrung kann bestens so vorgekommen werden, daß die Drehmaschine mit einem
Aufnahmekopf ausgestattet wird, der dem dargestellten Zylinderkopf gleicht. Die
Rohlinge werden in das Muttergewinde der Bohrung geschraubt, fest angezogen, um
90° wieder zurück gedreht und dann mit einer der dargestellten ähnlichen Verschlußkappe
in den Aufnahmekopf gepreßt. Genau so wie die Führungsbuchse nachher in d Zylinderkopf
gepreßt wird. (Die Kappe 15 bis zum Anlegen an die Stirnfläche 18 der Buchse 4'
schrauben und dann kräftig 2700 + 700 weiter drehen). Wenn sodann der Dichtungsraum
auf Maß gedreht und die Kolbenstangebohrung kalibriert wird, so ist dafür Gewähr
segeten, da3 nach Einschrauben der Buchse in das Zylinderkopfgewinde und nach vorschriftsmäßigem
Festziehen der Buchse, die Bohrung für die Kolbenstange un-d der Raum für die Dichtung
funktionierrechte Abmessungen erhalten.