Pat ε ν ta n\?ä l γ ε
D ι r L. -· ϊ ν G. F. We ϊ c κ μ α ν ν,.
Dii>l.--Ing. H. Weickm/, nn, Dipx..-P:bys. Dr. K. Fiwgke -
Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Hubeu
.8MONCFIENSg1DEN
POSTFACH 860 320
MÖHI.STB.ASSE 22, POJFNUMMEP. 48 39 21/22
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VKr · -
Sunda brand Corporation
4751 Harrison Avenue
Rockf ord f Illinois, V.St.A.
Kolben, insbesondere zur Verwendung -in "hydraulischen
Kolbenmotoren und Kolbenpumpen, sowie Verfahren zu seiner Herstellung
Bei vielen Anwendungen hydraulischer Kolbenpumpen und
Kolbenmotoren wird ein besserer Betrieb erreicht, wenn das die Zylinder für die Kolben tragende Teil mit einer
höheren Drehzahl, rotiert und wenn der Betriebsdruck größer ist oder wenn diese beiden Bedingungen zusammentreffen.
Diese Bedingungen bzw. Betriebszustände machen die
Verwendung von Kolben in it einem möglichst geringen Gewicht
erforderlich; und die Aufgabe der vorliegenden. Erfindung liegt vorsugsv/eise darin, einen Kolben mit geringem
Gewicht zu schaffen^ der eim; ausreichende DaUerfestlgkeit
bzw. Lebensdauer aufweist u.jid'möglichst einstückig
und mit minimalem Gewicht ausgeführt ist. Bs wurde bereits
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versucht, einen derartigen Kolben durch Schweißen und
insbesondere durch Elektronenstrahlschweißen herzustellen; dieses Verfahren ist jedoch relativ teuer und erfordert
ein Vakuum.
Es wurde festgestellt s daß ein kolben mit geringem Gewieht
und den gewünschten Eigenschaften mittels Preßscliweißung
wesentlich kostengünstiger hergestellt werden kann, wobei bei diesem Verfahren Einrichtungen verwendet
werden, die den miteinander zu verschweißenden Teilen
eine Rotation relativ zueinander geben und sie mit einem wesentlichem in Richtung des.Kolbens ausgeübtem Druck in
Kontakt miteinander bringen.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde,
einen Kolben mit geringem Gewicht zu schaffen, der Teile aufweist, die durch Preßschweißung miteinander
verbunden werden können, wobei die miteinander zu verbin-'
denden !Peile so gestaltet sind, daß sie dem während dem Schweißen, aufgebrachten axialen Druck standhalten.
Der leichtgewichtige Kolben, umfaßt einen Teil, der einstückig
ausgebildet ist und eine Art Grundplatte aufweist, von. der sich eine zentrale Säule erstreckt und von der sich
ferner in einem Abstand rund um die zentrale Säule eine zylindrische äußere Hülse erstreckt, wobei zwischen der
zentralen Säule und der zylindrischen äußeren Hülse ein Ringraum gebildet wirdj ferner umfaßt der Kolben ein einen·
Endabschluß bildendes Teil in Form einer Endkappe mit einer im wesentlichen ebenen Außenfläche und mit sich von der
anderen Seite nach innen erstreckenden Abschnitten, die dazu bestimmt sind, in Anlage gegen die zentrale Säule
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und äie zylindrische äußere Hülse des anderen Teiles zu
kommen und durch Preßschweißung damit verbunden zu werden.
Aufgrund der "beim Befestigen der Endkappe an der zentralen
Säule und der zylindrischen äußeren Hülse auf den Kolben aufgebrachten axialen Kraft neigt die zentrale
Säule dazu, in den ringförmigen Baum auszuweichen, wenn
die Teile unter axialem Druck durch Preßschweißung "verbunden werden; dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch
vermieden, daß eine mit einem mittleren Durchgangs loch versehene
Scheibe in den ringförmigen Raum zwischen der zentralen
Säule und der zylindrischen äußeren Hülse eingesetzt wird, die die zentrale Säule im wesentlichen in
ihrer Stellung festhält, so daß die zentrale Säule durch die aufgebrachten axialen Kräfte nicht abgebogen bzw. abgelenkt
wird. Es ist wichtig, die Verbiegung der zentralen Säule möglichst gering zu halten um sicherzustellen,
daß die Endkappe gut mit der zentralen Säule verschweißt wird und um sicherzustellen, daß ein anschließend gebohrter,
sich axial zur zentralen Säule bzw. zum Kolben erstreckender Schmierkanal nicht aus der Wand der zentralen
Säule austritt und insbesondere die zentrale Säule an allen Stellen eine ausreichende den Schmierkanal umgebende
¥andstärke aufweist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand sehematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigt
51Ig. 1 einen Längsschnitt durch eine hydraulische
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Kolbenpumpe "bzw. einen hydraulischen Kolbenmotor
mit den erfindungsgemäßen leichtgewichtigen
Kolben und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen der in Fig.1 gezeigten leichtgewichtigen Kolben in vergrößertem
Maßstab.
In Fig.1 ist eine hydraulische Umformeinrichtung als allgemein
mit 10 bezeichnete Axialkolbenpumpe dargestellt. Dem Fachmann ist bekannt, daß die Pumpe 10 ohne weiteres
auch als Motor verwendet werden kann. Ferner kann die Pumpeinheit bzw. die Motoreinheit auch in Form einer Radialkolbeneinheit
ausgebildet sein. Die Pumpe 10 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuseteil 11 mit einer zentral
darin vorgesehenen Bohrung 12 zur Aufnahme und Befestigung eines Kugellagers 13. Eine Antriebswelle 15 der Pumpe 10
ist im Bereich ihres einen Endes in dem Kugellager 13 gelagert. Die Antriebswelle 15 kann von einer geeigneten Antriebsquelle
über ein an seinen beiden Enden mit Kerbverzahnung versehenes Kupplungsstück angetrieben werden, wobei
die Kerbverzahnung des einen Endes des Kupplungsstückes mit einer entsprechenden Kerbverzahnung am rechten Ende der Antriebswelle
15, wie bei 18 angedeutet in Eingriff steht.
Eine Abdeckung 20 verschließt das rechte Ende der Bohrung 12 im Gehäuse 11 und trägt eine Y/ellendichtung 21 um Leckverluste
zu vermeiden. Das andere Ende des Gehäuseteils 11 wird von einer im wesentlichen zylindrischen Ventilplatte 27 verschlossen, die mittels nicht gezeigter Befestigungsmittel
mit dem Gehäuseteil verbunden ist. In der Ventilplatte 27 sind die üblichen Einlaß- und Auslaßkanäle
ausgebildet, die sich zu der Steuerfläche 28 öffnen. Die
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bogenförmigen Öffnungen stehen mit Kanälen 29 bzw. 30 in
Verbindung. Der Kanal 29 stellt mit einem, mit Gewinde versehenen
Einlaßanschluß 32 (oder Auslaßanschluß, je nach
Richtung der Drehung der Antriebswelle) in Verbindung, der zur Aufnahme eines Anschlußteiles vorgesehen ist, wobei
das letztgenannte Anschlußteil entweder mit einer hydraulischen Druckmittelquelle verbunden ist oder mit der Auslaßleitung
eines Motors, wenn die Pumpe 10 in geschlossenem Kreislauf mit dem Motor zusammenwirkt. Der Kanal 30
steht mit einem mit Gewinde versehenen Auslaßanschluß 33 (oder Einlaßanschluß) in Verbindung, der dazu bestimmt ist, einen
Anschlußteil aufzunehmender mit einer Hydraulikflüssigkeitsaufnahmeeinrichtung,wie
Z,3. dem Einlaß eines 51IUssigkeitsmotors
verbunden ist.
Eine zentral angeordnete Bohrung 36 erstreckt sich von der
Steuerfläche 28 der Ventilplatte 27 in die Ventilplatte 27
hinein und nimmt ein das linke Ende der Antriebswelle 15
tragendes Kugellager auf.
Die Antriebswelle 15 besitzt einen mit einer Kerbverzahnung
versehenen Abschnitt 40, der in eine entsprechende Innenkerbverzahnung
eines rotierenden Zylinderblockes 4-1 eingreift. Der häufig auch als Trommel bezeichnete Zylinderblock
41 weist eine, im wesentlichai zylindrische Form auf
und besitzt eine Abstützfläche 42, die auf der Steuerfläche ,
28 der Ventilplatte gleitet, wenn der Zylinderblock γοη der
Antriebswelle 15 rotierend angetrieben wird. Nicht· gezeigte ■-.
Federn können vorgesehen sein, um den Zylinderblock 41 nach links in Eingriff mit der Steuerfläche 28 zu drücken,
um übermäßige Leckverluste an Druckflüssigkeit zu vermeiden.
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Der Zylinderblock 41 v/eist mehrere in axialer Richtung
.'angeordnete Zylinder 45 in ringförmiger Anordnung um
die Rotationsachse der Antriebswelle 15 auf. Jeder der Zylinder 45 steht mit einem entsprechenden bogenförmigen Zylinderkanal 46 in Verbindung, der jeweils nach
der Abstutzfläche 42 hin geöffnet ist. Wenn der Zylinderblock rotiert', stehen die KanäJLe 46 nacheinander in
Verbindung mit dem EinlaSkanal 29 und dem Auslaßkanal 30. Die Kolben 49 die im folgenden noch im einzelnen
zu beschreiben sind, sind verschiebbar in den Zylindern
45 angeordnet. Jeder Kolben 49 weist an seinem freien Ende einen teilkugelförmigen Ansatz ζ>0 auf, der in einem
teilkugelförmigen Sockel jeweils in einem von einer Anzahl von G-leitschuhen 51 aufgenommen ist.
Ein feststehendes !trockenelement 53, welches in das Gehäuseteil
11 eingebaut ist, besitzt eine ebene ITockenfläche 54, die mit jeder Gleitfläche 56 jedes Gleitschuhes
51 in Eingriff ist, um eine hin- und hergehende Bewegung der Kolben 49 in den Zylindern 45 zu bev/irken, wenn der
Zylinderblock mit dem Kolben rotiert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt das Nockenelement ein festes
Hubvolumen; es kann jedoch genauso gut ein in seinem Feigungswinkel einstellbares ITockenelement in der
Pumpe 10 verwendet werden.
Wenn die Einheit als Pumpe arbeitet, versetzt das Antriebsaggregat
den Zylinderblock 41 mittels der Antriebswelle 15 in rotierende Bewegung und die Kolben 49 werden
durch das ITockenelement 53 in den Zylindern hin- und herbewegt. Y/enn der Zylinderblock rotiert liefern die
Kolben 49 Hochdruckflüssigkeit durch den Auslaßkanal 30,
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wenn sie sich über den Auslaßkanal in der Steuerfläche
28 der Ventilplatte 27 "bewegen, und nehmen Binlaßflüssigkeit
durch den Einlaßkanal 29 auf, wenn die Kolben sich über den Einlaßkanal in der Ventilplatte 27 bewegen.
Ein Schmierkanal 57 ist in jedem der Kolben vorgesehen,
um Schmierflüssigkeit zu dem'zugehörigen Gleitschuh 51
zu bringen. Die Gleitschuhe 51 besitzen jeweils eine Schmiertasche 60, die gegen den teilkugelförmigen Ansatz
50 SM Kolben gerichtet ist sowie eine weitere Schmiertasche
61 in der Rückseite 56, wobei diese weitere Schmiertasche 61 über einen kleinen Durchgangskanal 63 mit der
Schmiertasche 60 in Verbindung steht. ¥enn der- Kolben sich hin- und herbewegt, bewegt sich jeweils eine kleine
Menge von Hydraulikflüssigkeit in jedem Zylinder 45 durch den Kanal 57 in die Schmiertasche 63 um einen Schmierfilm
zwischen dem teilkugelförmigen-Ansatz 50 und dem entsprechenden Sockel in dem Gleitschuh 51 zu bilden.
. 2 zeigt einen einzelnen Kolben 49 in vergrößertem Maßstab. Der Kolben 49 besitzt eine Grundplatte oder besser
gesagt ein Jochteil 70 von dessem freien Ende sich
ein teilkugelförmiger Vorsprung 50 erstreckt; von der
andern Seite der Grundplatte bzw. des Jochs 70 erstreckt sich eine zentrale Säule .71, durch die sich.ein überwiegender
Teil des Schmierkanals 57 erstreckt. Eine zylindrische äußere Hülse 72 ist einstückig mit der Grundplatte
und der zentralen Säule 71 ausgebildet und weist einen Abstand von der zentralen Säule 71 auf, um einen Ringraum
73 zwischen der zentralen Säule 71 und der zylindrischen äußeren Hülse 72 freizulassen. Dieser Teil des Kolbens
ist in einem Stück hergestellt.
Ein Endverschluß für den Kolben ist allgemein mit
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75 "bezeichnet und umfaßt eine im wesentlichen zylindrische
Endkappe 76 mit einer ebenen äußeren Fläche 77 und
das äußere Ende des Schmierkanals 57 erstreckt sich' durch diese Kappe hindurch. Die entgegengesetzte innere
•Fläche der Endkappe 76 "besitzt einen zentralen Yorsprung
"78 Ton dem gleichen Durchmesser wie die zentrale Sä.ule 71 und eine umgebende vorspringende Wand 79 von demselben
Außendurchmesser wie die zylindrische äußere Hülse 72, so daß sie mit der letzterwähnten äußeren
Hülse in Fluchtung bringbar ist.
Bei dem Zusammenbauverfahren des leichtgewichtigen Kolbens
49 durch Preßschweißen wird die Endkappe 76 in einer drehbaren Halterung befestigt, um relativ zu dem
anderen Kolbenteil gedreht v/erden zu können und die Teile werden nach_dem die gewünschte Geschwindigkeit der
Relativbewegung erreicht ist zusammengebracht, wobei der zentrale Vorsprung 78 an dem Ende der zentralen Säule 71
und die ringförmige vorspringende Wand 79 an der äußeren
zylindrischen Hülse 72 in Anlage kommen und wobei ferner
ein wesentlicher Druck in axialer Richtung des Kolbens aufgebracht wird, um die Befestigung der Teile aneinander
durch einen Schweißvorgang zu bewirken. Die Halterung
besitzt einen Energiespeicher z.B. in Form eines
Schwungrades, um eine zuverlässige Verschweißung unter dem axial aufgebrachten Druck sicherzustellen. Die Schweißnaht
wird durch die vorspringenden Nahtstellen 80 angezeigt, wobei entsprechende vorspringende Nahtstellen an
der Außenseite des Kolbens in einem Nachbearbeitungsgang entfernt wurden.
Die Endkappe 76 weist an ihrer Innenseite Oberflächen
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auf, die mit der zentralen Säule 71 und der zylindrischen äußeren Hülse 72 des Kolbens durch Anlage zusammenwirken,
wobei der erforderliche Axialdruck während
des Preßschweißvorganges abgestützt wird,
Um einen genauen Zusammenbau der Bestandteile des Kolbens durch Preßschweißen unter der Wirkung der Rotation
und der axialen Kräfte sicherzustellen, wird eine Scheibe 90 in den ringförmigen Raum 73 eingesetzt, bevor die Endkappe 76 in Eingriff mit den übrigen Teilen
des Kolbens gebracht wird, wobei diese Scheibe z.B. aus Aluminrum oder einem weichen Stahl hergestellt ist und
einen ausreichenden v/id erstand gegen ein Zusammendrükken
aufweist. Die Scheibe 90 kann entweder mit einem
leichten Preßsitz auf der zentralen Säule 71 sitzen und
einen geringen Abstand zu der zylindrischen äußeren Hülse 72 aufweisen oder es kann eine umgekehrte Beziehung
zwischen diesen Teilen vorgesehen sein; hierdurch wird; wenn der .wesentliche axiale Druck während dem Preßschweißvorgang
aufgebracht wird die Scheibe 90 der Tendenz der daraus resultierenden radialen Kräfte, die zentrale Säule 71 zu verbiegen Widerstand leisten. Die
Scheibe 90 stellt sicher, daß die zentrale Säule 71 in einer Stellung gehalten wird, die im wesentlichen
in normaler, d.h. senkrechter Richtung zu der Endkappe 76 verläuft. Hierdurch wird ein guter Kontakt mit dem
zentralen Vorsprung 78 der Endkappe sichergestellt, um
eine gute Verschweißung mit diesem zentralen Vors'prung
zu erhalten. Ferner wird hierdurch sichergestellt, daß
wenn der Schmierkanal 57 in der zentralen Säule 71 mittels
eines geeigneten Verfahrens wie z.B. Bohren hergestellt
wird die Bohrung nicht durch die Wand der zentralen Säule "bricht und daß die den Schmierkanal 57
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■umgebende Wandstärke über die ganze länge des Schmierkanals
eine ausreichende Dicke aufweist.
Die -vorspringenden Nahtstellen 80 zeigen deutlich die Halltstelle
zwischen der Kappe 76 und dem Rest des Kolbens und die Endkappe 76 ist vor dem Preßschweißen derjenige Teil
des KolbenSy der links von der strichpunktierten Linie 95
in Fig, 2 gezeigt ist«
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