DE2510957A1

DE2510957A1 - Kolbenanordnung mit kugelkopfgelenk

Info

Publication number: DE2510957A1
Application number: DE19752510957
Authority: DE
Inventors: Svend Peder Pedersen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1975-03-13
Filing date: 1975-03-13
Publication date: 1976-09-23
Also published as: DK106476A; DE2510957B2

Description

Kolbenanordnung mit Kugelkopfgelenk Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenanordnung mit zwischen Pleuelstange und Kolben angeordnetem Kugelkopfgelenk, dessen Kugelpfanne an dem Kugelkopf beidseitig seines Größtquerschnitts anliegt.
Bei den bekannten Kolbenanordnungen mit Kugelkopfgelenk besteht sowohl der Kugelkopf als auch die Kugelpfanne im wesentlichen aus Metall. Damit beide Teile zusammengefügt werden können, darf die Kugelpfanne zunächst nicht mehr als über einen halbkugeligen Bereich an dem Kugelkopf anliegen. Damit der Kugelkopf in der Kugelpfanne verbleibt, benötigt man entweder ein zusätzliches Befestigungselement, z.B. einen Sprengring, der jenseits des Größtquerschnitts des Kugelkopfes an der Kugelpfanne angebracht wird, oder man muß einen überden Größtquerschnitt des Kugelkopfes hinausragenden Fortsatz der Kugelpfanne nach innen umbördeln.
Beides erlaubt es nicht, den Kugelkopf spielfrei in der Kugelpfanne zu halten.
Zur Verminderung des Spiels ist es auch schon bekannt geworden, an der Innenseite des umzubördelnden Fortsatzes eine Schicht aus einem elastisch zusammendrückbaren Material, insbesondere einem fluorierten Polyäthylen, z.B. Polytetrafluoräthylen oder Polytrifluoräthylen, anzuordnen. Da das bördelfähige Kugelpfannenmetall in der Regel nicht als Kolbenwerkstoff verwendet werden kann, ist die Kugelpfanne als Einsatz in einen topfförmigen, aus Blech gezogenen Kolben eingefügt. Eine solche Kolbenanordnung, die sich in der Praxis bewährt hat, erfordert aber einen erheblichen Fertigungsaufwand. Zur Einhaltung enger Toleranzen ist der Bördelvorgang genau zu überwachen und Jeweils eine paarweise Zuordnung von Kolben und Zylinder vorzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenanordnung mit Kugelkopfgelenk der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die wesentlich einfacher und trotzdem mit der erforderlichen Passungsgenauigkeit herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kugelpfanne im wesentlichen aus einem ersten Kunststoff besteht, mit dem der Kugelkopf umspritzt oder umgossen ist.
Bei dieser Anordnung liegt der Kugelkopf absolut spielfrei in der Kugelpfanne. Da sich Kunststoffe bei der Abkühlung nach dem Spritzen oder Gießen in der Regel stärker zusammenziehen als Metall, ergibt sich sogar eine gewisse Vorspannung, die auch bei einer späteren Eriärmunß des Kugelkopfgelenks oder nach einem gewissen Verschleiß noch einen spielfreien Sitz gewährleistet.
Die Herstellung ist sehr einfach, da der Kunststoff für die Kugelpfanne lediglich um den Kugelkopf herum gespritzt oder gegossen werden muß.
Bei einer ersten Ausführungsforn bildet die Kugelpfanne mit dem umgossenen oder umspritzten Kugelkopf einen vorgefertigten Einsatz, der mit dem aus anderem Material, insbesondere Metall, bestehenden Kolben verbunden ist. Eine solche nachträgliche Verbindung zwischen Einsatz und Kolben ist technisch leicht beherrschbar. Im einfachsten Fall können die Teile miteinander verklebt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform weist der insbesondere aus Metall bestehende Kolben eine napfförmige, zur Pleuelstange hin offene Vertiefung auf, in die der erste Kunststoff eingespritzt oder eingegossen ist. Hierbei @@lder die Vertiefung einen Teil der Spritz- oder Gießform zur Herstellung der Kugelpfanne.
Vorzugsweise hat der Kolben zur Aufnahme der Kugelpfanne eine zylindrische Wand, die nahe ihrem freien Ende nach innen umgebogen ist. Durch eine derartige Querschnittsverkleinerung wird die Kugelpfanne mit Sicherheit festgehalten, sei es, daß die Wand nach dem Einbringen eines vorgefertigten Einsatzes umgebördelt wird, sei es, daß die Umbördelung schon vorher vorgesehen und die Kugelpfanne erst innerhalb der Vertiefung durch Spritzen oder Gießen erzeugt wird.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform besteht der Kolben ebenfalls aus dem spritz- oder gießbaren ersten Kunststoff und ist einstückig mit der Kugelpfanne gespritzt oder gegossen. Auf diese Weise kann der Kolben einschließlich der Kugelpfanne in einem Arbeitsgang hergestellt werden, was eine sehr rationelle Fertigung ermöglicht.
Um Abnutzung und Reibungsverluste möglichst klein zu halten, empfiehlt es sich, daß der erste Kunststoff einen Zusatz aus selbstschmierendem Material, wie Graphit, enthält. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit kann er auch einen Zusatz aus einem verstärkenden Ftillstoff, wie Glasfasern oder Asbest, enthalten.
Als besonders geeigneter erster Kunststoff hat sich Polyphenylensulfid (PPS) herausgestellt. Dieses Material läßt sich leicht durch Spritzgießen verarbeiten, hat eine Temperaturbeständigkeit bis 2000C, eine hohe mechanische Festigkeit und einen geringen Reibungskoeffizienten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Kolben ein Kolbenring aus einem gegenüber dem ersten Kunststoff elastischeren zweiten Kunststoff aingesetzt, der über den Kolbenumfang übersteht. Damit besteht die Möglichkeit, auf eine paarweise Zuordnung von Kolben und Zylinder zu verzichten. Die Elastizität des Kolbenringes erlaubt den Ausgleich aller Toleranzunterschiede auch nach einer gewissen Abnutzung.
Hierbei empfiehlt es sich insbesondere, daß der Kolbenring vom Kunststoff des Kolbens umspritzt oder umgossen ist. Der Kolbenring wird daher bereits bei der Herstellung des Kolbens mit eingeformt. Hierbei kann der Kolbenring sogar ein geschlossener Ring sein. Dies hat den Vorteil, daß in Verbindung mit der Elastizität des zweiten Kunststoffes immer eine ausreichende Dichtkraft vorhanden ist. Die bisher üblichen Kolbenringe mußten geschlitzt sein, damit sie nachträglich auf den Kolben aufgebracht werden konnten. Derartige Kolbenringe sind wesentlich nachgiebiger und belassen auch einen Leckpfad an der Trennstelle, des Kolbenringes.
Zur Herabsetzung der Reibung und der Abnutzung kann der zweite Kunststoff ebenfalls einen Zusatz aus selbstschmierendem und/ oder verstärkendem Material, wie Graphit, Metallpulver oder Glas aufweisen. Damit lassen sich die Festigkeitseigenschaften, die Elastizitätseigenschaften, die Abnutzungsbeständigkeit und der Reibungskoeffizient variieren.
Als besonders geeignet hat sich als zweiter Kunststoff Polytetrafluoräthylen erwiesen. Dieses Material vermag hohen Belastungen standzuhalten, kann bei Betriebstemperaturen bis zu 2600C verwendet werden und hat eine gute Abnutzungsbeständigkeit.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausftihrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kolbenanordnung gemäß der Erfindung und Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Kolbenanordnung gemäß der Erfindung.
Die Kolbenanordnung in Fig. 1 weist in Ublicher Weise eine Pleuelstange 1 mit einem Kugelkopf 2 aus Stahl auf. Die Pleuelstange ist am anderen Ende mit einem Kurbelzapfenlager 3 verbunden. Der Kugelkopf 2 ruht in einer Kugelpfanne 4, die aus einem ersten Kunststoff und einstückig mit einem Kolben 5 ausgebildet ist. Die Kugelpfanne reicht in ihrem Bereich a über den Größtquerschnitt des Kugelkopfes 2 hinaus. Ferner ist an der Kolbenstirnseite ein Kolbenring 6 aus einem zweiten Kunststoff vorgesehen, der ein in sich geschlossener Ring ist und geringzügig über den Umfang des Kolbens 5 übersteht.
Der Kolben 5 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Polyphenylensulfid (PPS) mit Zusätzen aus Asbest zur Verstärkung und aus Graphit zur besseren Schmierung. Hierbei ist ein Gemisch aus 50 % PPS, 45 % Asbest und 5 % Graphit sehr geeignet.
Der Kolbenring 6 besteht aus einem elastischeren Kunststoff, in diesem Ausführungsbeispiel aus Polytetrafluoräthylen mit einem Zusatz aus 15 % Graphit.
Bei der Herstellung wird so vorgegangen, daß in einer Spritzgießform der vorgefertigte Kolbenring 6 und der Kugelkopf 2 angeordnet werden. Alsdann wird der flüssige oder fließbare erste Kunststoff in die Form eingeführt, wo er erhärtet. Hierbei: ist gleichzeitig sowohl die Kugelpfanne 4 erzeugt als auch der Kolbenring 6 befestigt worden.
Bei der Kolbenanordnung in Fig. 2 ist ein Kolben 7 aus Blech oder Stahl vorgesehen, der, ausgehend von einer Stirnwand 8 einen äußeren Mantel 9 und eine innere Wand 10 aufweist. Diese bildet eine zur Pleuelstange 1 hin offene Vertiefung 11, die der Aufnahme einer Kugelpfanne 12 dient. Das freie Ende 13 der Innenwand 10 ist nach innen umgebördelt. Wenn die Kugelpfanne 12 mit dem Kugelkopf 2 vorgefertigt ist, kann sie als Einsatz in die Vertiefung 11 eingeführt und dort durch nachträgliches Umbördeln des freien Endes 13 festgehalten werden. Wenn die Vertiefung 11 als Spritz- oder Gießform für die Kugelpfanne 12 dient, kann die Bördelung schon von vornherein vorgesehen sein.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen sich insbesondere für Kältemaschinen, weil die verwendeten Kunststoffe auch gegen-l über den üblichen Kältemitteln beständig sind. Die Kolbenanordnung eignet sich aber auch für andere Anwendungszwecke, z.B. als Luftkompressor.
Als erster und zweiter Kunststoff kommt außer dem genannten Polyphenylensulfid und Polytetrafluoräthylen beispielsweise auch Polyimid in Frage. Zu den verstärkenden Fiillstoffen gehören außer Glas- und Asbestfasern auch Graphitfasern. Als schmierende Füllstoffe sind außer Graphit auch Molybdänsulfid, Antimontrioxyd oder auch Polytetrafluoräthylen geeignet.

Claims

Patentansprüche

1. Kolbenanordnung mit zwischen Pleuelstange und Kolben angeordnetem Kugelkopfgelenk, dessen Kugelpfanne an dem Kugelkopf beidseitig seines Größtquerschnitts anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelpfanne (4, 12) im wesentlichen aus einem ersten Kunststoff besteht, mit dem der Kugelkopf (2) umspritzt oder umgossen ist.

2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelpfanne (12) mit dem umgossenen oder umspritzten Kugelkopf (2) einen vorgefertigten Einsatz bildet, der mit dem aus anderem Material, insbesondere Metall, bestehenden Kolben (7) verbunden ist.

3. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der insbesondere aus Metall bestehende Kolben (7) eine napfförmige, zur Pleuelstange (1) hin offene Vertiefung (11) aufweist, in die der erste Kunststoff eingespritzt oder eingegossen ist.

4. Kolbenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (7) zur Aufnahme der Kugelpfanne (12) eine zylindrische Wand (10) aufweist, die nahe ihrem freien Ende (13) nach innen gebogen ist.

5. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) ebenfalls aus dem spritz- oder gießbaren ersten Kunststoff besteht und einstückig mit der Kugelpfanne (4) gespritzt oder gegossen ist.

6. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kunststoff einen Zusatz aus selbstschmierendem Material, wie Graphit, enthält.

7. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kunststoff einen Zusatz aus einem verstärkenden FUllstoff, wie Glasfasern oder Asbest, enthält.

8. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS) ist.

9. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 5 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kolben (5) ein Kolbenring (6) aus einem gegenüber dem ersten Kunststoff elastischeren zweiten Kunststoff eingesetzt ist, der über den Kolbenumfang übersteht.

10. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 5 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (6) vom Kunststoff des Kolbens (5) umspritzt oder umgossen ist.

11. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 5 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (6) ein geschlossener Ring ist.

112. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 5 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kunststoff ebenfalls einen Zusatz aus selbstschmierendem und/oder verstärkendem Material, wie Graphit, Metallpulver oder Glas, enthält.

13. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 5 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kunststoff Polytetrafluoräthylen ist.