DE2364725A1

DE2364725A1 - Kolben, insbesondere zur verwendung in hydraulischen kolbenmotoren und kolbenpumpen, sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2364725A1
Application number: DE2364725A
Authority: DE
Inventors: Anthony Roger Davies; Bernhard William Diemer
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Danfoss Power Solutions US Co
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1973-12-27
Publication date: 1975-07-10
Also published as: DE2364725C2

Description

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

<98392!/22>

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

50 98 2 8

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

509828/0728

2304725

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

509828/0728

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

509828/0728

11*1 .*

- 5

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.

509828/0728

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,

509828/0728

236*725

_ 7 —

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

509828/0728

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

609828/0728

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 d^er 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

509828/0728

2384725

■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«

509828/0728

Claims

2384725 Patentansprüche

1. \Kolbeii mit leichtem Gewicht, insbesondere zur Verwen- ^—'"'dung in hydraulischen Kolbenmotoren und Kolbenpumpen, mit einer zentralen Säule, sowie einer äußeren zylindrischen Hülse, die einen Abstand von der zentralen Säule aufweist, wodurch ein Ringraum zwischen der zentralen Säule und der zylindrischen äußeren Hülse gebildet wird, gekennzeichnet durch einen Endverschluß (76), der sich von der zentralen Säule (71) zu der zylindrischen äußeren Hülse (72) erstreckt und sowohl an dem Ende der zentralen Säule (71) wie der zylindrischen äußeren Hülse (72) befestigt ist, um den Ringraum (73) zu verschließen.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze i c h η e t , . daß der Endverschluß in Porm einer Endkappe (76) ausgebildet ist, mit einer flachen Außenseite (77). und. einem zentralen Vorsprung (78) und einem ringförmigen Vorsprung (79)» die sich von der inneren Seite der Endkappe (76) derart erstrecken, -daß sie mit der'zentralen Säule (71) bzw. der zylindrischen äußeren Hülse (72) fluchten.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch ge k-e η η ze i c hn e~t , daß der zentrale Vorsprung (78) und der umgebende ringförmige Vorsprung (79) der Endkappe (76) durch Preßschweißen und insbesondere durch Rotationsreibungspreßschweißung mit der zentralen Säule

(71) und der zylindrischen äußeren Hülse (72) verbunden sind.

S0982&/0723

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 - 3 , dadurch gekennzeichne t , daß ein ringförmiges Element (90) "benachbart dem Endverschluß (76) in-dem Ringraum (73) angeordnet ist.

5«, Kolben nach Anspruch 4, dadurch, gekennzeichnet, daß als ringförmiges Element eine gegen seitliche Drücke widerstandsfähige Scheibe (90) verwendet ist_? um ... ein Yerbiegen der zentralen Säule (7.1) aufgrund der auf den Kolben beim Schweißvorgang aufgebrachten Kraft zu verhindern.

6* Kolben nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß die zentrale Säule. (71) und die. zentrale äußere Hülse (72) als eine einstückige Konstruktion ausgebildet sind und sich von einem Jochteil (70) gegen den Endverschluß (76) er^- strecken.

7. Kolben mit leichtem Gewicht nach einem der Ansprüche 1-6 zur Verwendung in hydraulischen Kolbenmotoren und Kolbenpumpen,-in denen jeweils mehrere dieser Kolben in Zylindern angeordnet sind, die in einem Zylinderblock vorgesehen sind, wobei jeder der Kolben in seinem Zylinder gleitend hin- und herbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (49) ein Jochteil (70) aufweist, von dem sich eine zentrale Säule (.71) und eine umgebende zylindrische äußere Hülse (72) erstrecken, die einen gewicht sparend en Ringraum zwischen sich freilassen, wobei das Jochteil (70), die zentrale Säule (71) und die zylindrische äußere Hülse (72) einstückig miteinander

509828/0728

ausgebildet sind, und daß eine im wesentlichen zylindrische Endkappe (76) vorgesehen ist, die den gleichen Durchmesser wie die zylindrische äußere Hülse (72) "besitzt und den ringförmigen Raum (73) verschließt und eine im wesentlichen ebene Außenfläche aufweist und ein zentraler Vorsprung (78) sich von der entgegengesetzten Seite, der Endkappe (76) nach Innen "bis zu. der zentralen Säule (71) erstreckt und eine umgebende ringförmige ,/and (79) sich ebenfalls von der entgegengesetzten Fläche der Endkappe(76) nach Innen und bis zu der zylindrischen äußeren Hülse (72)' erstreckt, und daß der zentrale Vorsprung (78) und die äußere ringförmige Viand (79) der Endkappe (76) mit der zentralen Säule -(71) bzw. der zylindrischen äußeren Hülse (72) durch Preßschweißung verbunden sind, wobei beim Schweißen eine Rotation der Endkappe (76) relativ zu der zentralen Säule (71)"sowie der äußeren Hülse (72) angewandt wurden und ferner ein· axialer Druck auf den' Kolben aufgebracht wurde, um den zentralen Vorsprung (78) und die ringförmige ν or springende Wand (79) der Endkappe (76) gegen die an ihnen anliegenden Flächen (71, 72) zudrücken.

8. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit leichtem Gewicht nach'einem der Ansprüche 1- I₁ insbesondere zur Verwendung in hydraulischen Kolbenmotoren und Kolbenpumpen, wobei der Kolben eine zentrale Säule aufweist sowie eine zylindrische äußere Hülse die die zentrale Säule mit einem Abstand^ umgibt um einen Ringraum zwischen diesen beiden Teilen zu bilden und wobei ein Endverschluß sich zwischen der zentralen Säule und der zylindrischen äußeren Hülse erstreckt, um den Ringraum zu verschließen, da durch gekennzeichnet, daß der

509828/0728

Endverschluß mit der zentralen Säule und der äußeren Hülse durch ein Preßschweißverfahren verbunden wird, bei dem der Endverschluß und die zentrale Säule bzw. die äußere Hülse in rotierende Bewegung relativ zueinander gebracht werden und ferner ein axialer Druck auf den Kolben aufgebracht wird, um den Endverschluß gegen die zentrale Säule und die zylindrische äußere Hülse zu drücken.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gek e η n zeichnete, daß d-ie zentrale Säule gegen eine Verbiegung relativ zu der äußeren Hülse festgehalten wird, während der axiale Druck auf den Kolben aufgebracht wird. '

10.Verfahren nach Anspruch 9_? d a d u r c h g e k e.n η zeichnet, daß die zentrale Säule durch ein ringförmiges Element gegen Verbiegung gesichert wird, wobei das ringförmige Element die' zentrale Säule umgibt und an dieser angreift und genügend Festigkeit gegen ein Zusammendrücken besitzt _r um einer von der zentralen Säule ausgeübten in radialer Richtung gerichteten Kraft zu widerstehen, die durch den axial auf den Kolben aufgewendeten Druck bewirkt wird.

509828/0728