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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hydromechanik
und betrifft insbesondere den Aufbau von mehrteiligen Kolben für hydraulische Verdrängungsmaschinen
sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Am erfolgreichsten kann die Erfindung in Maschinenbaubetrieben bei
der Herstellung von mehrteiligen Kolben für hydraulische Verdrängungsmaschinen,
z.B. Axialkolbenpumpen oder -motoren, eingesetzt werden.
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Unter dem Begriff "mehrteiliger Kolben" versteht man einen Kolben
oder einen Plunger mit einem becherförmigen Grundkörper, in welchem ein einseitig
offener Hochraum vorhanden ist, welcher ein Füllstück aus spezifisch leichterem
Werkstoff als der Kolben, beispielsweise aus Aluminium, aufnimmt. Das Füllstück
wird in dem Hohlraum des Kolbens unverschiebbar befestigt.
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Aus der Praxis der Hydromechanik ist es bekannt, dass mehrteilige
Kolben in hydraulischen Maschinen zur Erhöhung ihres volurnetrischen Wirkungsgrades
verwendet werden. Das Problem dabei besteht in der C wärhleistung einer unverschiebbaren
Befestigung des Füllstückes in dem Hohlraum des Kolbenkörpers, was dadurch bedingt
ist, dass der Kolben während des Betriebes, wenn dieser eine grosse Anzahl von Hin-
und Herbewegungen pro Zeiteinhaeit bei einem Druck der Hydraulikflüssigkeit bis
zu 32 MPa ausführt, hohen dynamischen Belatungen ausgesetzt wird. Unter der Wirkung
von Trägheiskräften zerstört das im Kolbenhohlraum angeordnete
Füllstück
dessen Befestigungsmittel am Kolbenkörper.
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Die-Versuche, eine sichere Befestigung zu schaffen fUhrten in der
Regel zu einer Komplizierung der baulichen Gestaltung des mehrteiligen Kolbens sowie
zu einer Kompli zierung der Herstellungtechnologie von derartigen mehrteiligen Kolben.
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Es ist ein mehrteiliger Kolben für hydraulische Verdrängungsmaschinebekannt
(s. DD -WP 73453), welcher einen eirrentlichen-in Form eines Zylinderkörpers mit
einem einseitig offenen-Holllraum ausgeführten Kolben aufweist. In diesem einseitig
offenen Hohlraum wird mittels Gewinde ein Füllstück aus spezifisch leichterom Werkstoff
als der Kolben arretiert. Das Füllstück wird gegenüber dem Grundkörper mittels Stiften
oder einer in einer Ringnut eines einseitig offenen Hohlraum es des Kolbens angeordneten
Scheibe gegen Verdrehungen gesichert.
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Beim Einsatz des besagten Kolbens treten aber Schwierigkeiten auf.
'io dientdas Gewinde als Spannungsquelle im Kolbenkörper, wodurch die Zuverlässigkeit
des Kolbens beeinträchtigt wird. Die in der Gewindeverbindung sowie zwischen der
inneren Oberfläche des Kolbens (d.h. der Oberfläche, welche dessen Hohlraum begrenzt)
und der Oberfläche des Füllstückes vorhandenen Spielräume vergrössern sich bei dynamischen
Belastungen. Dadurch wird letzten Endes der Kolben zerstört, oder, mit anderen Worten,
durch das unter der Wirkung von Trägheiskräften sich bewegende Füllstück "zerschlagen".
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Ausser den durch die bauliche Gestaltung des Kolbens bedingten Schwierigkeiten
treten auch mit der Herstellungstechnologie von derartigen Kolben zusammenhangende
Schwierigkeiten auf.
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Der eilrentliche Kolben und das Füllstück werden praktisch bis zum
Fertigmass nach der Länge getrennt hergestellt. I,s werden ein Innengewinde in dem
Kolben und ein Aussengewinde auf dem Tpüllstück ausgeführt. Ferner ist es erforderlich,
eine Ringnut für eine Federscheibe, eine Bohrung für einen stift herzustellen sowie
einen Zusammenbau durchzuführen Demzufolge entspricht die oben beschriebene Ausführungsform
nicht den an die Zuverlässigkeit eines mehrteiligen Kolbens gestellten Forderungen
sowie erfordert eine komplizierte und arbeitsaufändige Technologie.
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Es ist auch ein mehrteiliger Kolben bekannt (s. US-PS 3633467), enthaltend
einen einseitig offenen hohlraum, in welchem ringförmige Ansätze beliebiger Form
(Scheiben, Gewinde usw.) ausgeführt sind. In einem derartigen Hohlraum wird ein
flüssiger Werkstoff eingegossen, welcher beim Frstarren ein Füllstück des mehrteiligen
Kolbens bildet.
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Eine derartige bauliche Gestaltung erfordert eiiien relativ kleinen
Arbeitsaufwand, sie gewährleistet aber nicht die erforderliche Zuverlässigkeit der
Befestigung des Füllstückes im Hohlraum des mehrteiligen Kolbens und erfordert eine
komplizierte Herstellungstechnologie, d.h. eine Technologie, welche eine komplizierte
mechanische und metallurgische
Bearbeitung, vo n den den Kolben
bildenden Metallen umfasst.
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Weiterhin ist: in mehrteiliget- Kolben und ein Verfahren zu dessen
herstellung bekannt (s. SU-Urheberschein 412813), bei welchen der Grundkörper des
Kolbens und das Füllstück praktisch bis zum Fertigmass getrennt hergestellt werden,
wobei auf der Stirnfläche des Kolbens von der offenen Seite des IIohlraumes ein
intlerer den Hohlraum rundumlaufender Dund ausgeführt wird. Nach dem Einführen des
Füllstückes in den einsentig offenen Hohlraum des Kolbens erfolgt eine plastische
Verformung des Bundes zum Einengen des offenen Endes des Ltohlraulnes, wodurch das
Füllstück fixiert wird.
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Bei einer derartigen baulichen Gestaltung sind zwischen der Oberfläche
des Füllstückes und der inneren Oberfläche des Kolbens Spielräume vorhanden, wodurch
eine Bewegung des Füllstückes in dem ilohlraum des Kolbens nicht begrenzt werden
kann, was zur Zerstörung- des Begrezungsbundes führt. Dadurch wird eine Zerstörung
des Kolbens sowie ein Ausfall der gesamten Verdrägungsmaschine verursacht. Ferner
wird durch einen Bund an der Stirnseite des Kolbens das Gewicht des mehrteiligen
Kolbens erhöht, was eine unproduktive Ausnutzung des Arbeitsvolumens der Verdrägungsmaschine
zur Folge hat.
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Was die Herstellunr,stechnologie eines derartigen Kolbens betrifft,
so weist sie die gleichen Nachteile, wie alle bekannten Verfahren zur Herstellung
von mehrteiligen Kolben, auf, und zwar. eine getrennte Ilerst-ellung des Kolbens
uiid des Füllstückes praktisch bis zum Endmass mit nachfolgendem Zusammenbau.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrteili"en Kolben
für hydraulische Verdrägungsmaschinen sowie ein Verfahren zu dessen erstellung zu
schaffen, bei welchen durch eine gemeinsame plastische Verformung von Kolben- und
Füllstückrohling sowie durch die Herstellung eines spiellosen Kontakten mit Verspannung
zwischen der inneren Oberfläche des Kolbens und der Oberfläche des Füllstückes die
Zuverlässigkeit der Befestigung des Füllstückes im I:olbenkorper bei gleichzeitiger
Vereinfachung der baulichen Gestaltung und der Herstellungstechnologie des mehrteiligen
Kolbens erhöht wird.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem mehrteiligen
Kolben für hydraulische Verdrängungsmaschinen, enthaltend einen eigentlichen zylinderförmigen
Kolben mit einem zu dessen Oberfläche koaxialen, einseitig offenen Hohlraum, in
welchem ein Füllstück aus spezifisch leichterem Werkstoff als der Kolben angeordnet
und durch eine Einengung des offenen Endes des lIohlraumes unverschiebbar befestigt
wird, erfindungsgemäss, die Oberfläche des Füllstückes kongruent zu der inneren
Oberfläche des Kolbens ausgeführt ist und mit dieser einen spiellosen Kontakt mit
Verapannung aufweist, wobei die Kolbenwand an der offenen Seite des hohlraumes eine
grössere Dicke als im mittleren Teil des Kolbens aufweist.
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Dadurch, dass zwischen der inneren Oberfläche des Kolbens und der
Oberfläche des Füllstücke8 kein Spielraum vorhanden ist, wird eine axiale Verschiebung
des Füllstückes
ausgeschlossen. Perller wird durch die Einengung
des einseitig offenen Jlohlrawnes in der Richtung dessen offenen Endes das Füllstück
in dem Kolbenkörper zusätzlich fixiert.
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Die gestellte Ausgabe wird auch durch die Schaffung eines Verfahrens
zur Herstellung von mehrteiligen Kolben für hydraulische Verdrägungsmaschinen gelöst,
bei welchem das Füllstück in dem einseitig offenen Hohlraum des Kolbens angeordnet
und durch eins Einengung des Hohlraumes in Richtung dessen offenen Endes befestigt
wi.rd. Gemäss der Erfindung wird in einen becherförmigen Rohling des Kolbens ein
Rohling des Füllstückes eingesetzt und der auf diese Weise hergestellte mehrteilige
Rohling des Kolbens wird einem Vorwärts-Fließpressen durch eine Matrize unterzogen,
dabei wird der Aussendurchrnesser des Kolbeflrohlings um Wal grösser als der Durchmesser
des fertigen Kolbens ausgewählt, worin 8 der zulässige Um:formungsgrad beim Vorwärts-Fliesspressen
für ein bestimmtes Metall ist, der Durchmesser des einseitig offenen Kolbenhohlraumes
ergibt sich aus der direkt proportionalen Abhängigkeit zwischen den Querschnittflächen
des Kolbenrohlings und des fertigen kolbens, und der Boden teil des einseitig offenen
Hohlraumes des Kolbens wird in Form eines Kegelstumpfes ausgeführt.
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Ein derartiges Verfahren erfordert keine exakte Inechanische Bearbeitung
der Rohlinge. des Kolbens und des Füllstückes. Der Rohling des Kolbens und der Rohling
des Füllstückes werden durch ein einfaches Ineinandersetzen zu einem mehrteiligen
zusammengebaut. Ein durch das Fliesspressen hergestellter Kolben erfordert nur eine
mechanische Nachbehandlung.
Dadurch wird die lIerstellungstecilnologie
des Kolbens bei gleichzeitiger Erhöhung dessen Zuverlåssigkeit wesentlich vereinfacht.
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Es ist vorteilhaft, den mehrteiligen Rohling mittels eines anderen
gleichartigen Rohlings des Kolbens der matrize zuzuführen.
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Dadurch wird ein Icolltinuierlicher Verlauf der itoloenfertigung
gewährleistet, sowie die Hotwendigkeit ausgeschlossen, einen einmaligen Dorn, dessen
Abmessungen mit den Abmessungen des zu bearbeitenden mehrteiligen Rohlings übereinstimmten,
zu verwenden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
eines mehrteiligen Kolbens und eines Verfahrens zu dessen Herstellung unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen
erfindungsgeinässen mehrteiligen Kolben für eine hydraulische Verdrängungsmaschine;
en Fig. 2 schematisch einen Kolbenrohling, in dessen einseitig offenen Hohlraum
ein Rohling des Füllstückes eingesetzt ist; Fig. 3 eine Matrize, durch welche der
Rohling eines mehrteiligen Kolbens gedrückt wird; Fig. 4 schematich ein Vorwärts-Fließpressen
eines mehrteiligen Kolbenrohlings durch die Matrize.
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Ein mehrteiligen Korber, bezeichnet mit der Sammelposi tion 1, enthtilt
einen eigentlichen zylinderförmigen
Kolben 2 (Fig. 1). In den Kolben
2 ist ein zu dessen Ausserloberflache koaxialer, einseitig offener Hohlraum 3 ausgeführt,
welcher von einer Seite durch den Körper des Kolbens 2 begrenzt wird. Der Hohlraum
3 wird in Richtung seines offenen Endes (d.g. des Endes, welches dem durch den körper
des Kolbens 2 begrenzten Ende gegenüberliegt) derart eingeengt, dass eine durch
die äussere Arbeitsoberfläche des Kolbens 2 und dessen innere Oberfläche gebildete
Wand am offenen Ende des Hohlraums eine maximale Dicke "a" aufweist.
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In dem einseitig offenen Hohlraum 3 wird ein Füllstück 4 angeordnet.
Das Füllstück 4 wird aus einem spezifisch leichteren Werkstoff als der Kolben 2
ausgeführt. Die Oberfläche des Füllstückes 4 ist kongruent zu der inneren Oberfläche
des Kolbens 2 ausgeführt und weist mit dieser einen spiellosen Kontakt init Verspannung
auf.
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iVie es aus der rig. 1 ersichtlich ist, weist der Kolben 1 an seinem
der offenen Seite des Ilohlraumes 3 gegen-Uberliegenden Ende einen spharischen Teil
5 auf.Dieser sphärische Teil 5 sowie eine nach der gesamten Länge des Füllstückes
4 ausgefUhrte und koaxial zu dessen Oberfläche verlaufende durchgehende Bohrung
6 werden hier nicht weiter betrachtet, weil sie nicht zu den Erfindungsmerkmalen,
sondern zu den Merkmalen eines typischen Kolbens für hydraulische Verdrägungsmaschinen
gehören.
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Der beschriebene mehrteilige Kolben wird folgenderweise hergestellt.
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Ein Rohling 7 des Kolbens wird in Form eines Bechers mit einem einseitig
offenen Hohlraum 8 durch Fliesspressen oder durch spanende Formung hergestellt.
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Der Aussendurchmesser des Kolbenrohlings 7 wird um Mal grösser als
der vorgegebene Durchmesser eines fertigen Kolbens ausgewählt, worin £ der zulässige
Umformungsgrad beirri Vorwärts- Fliesspressen für einen bestimmten Werkstoff ist.
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Der Durchmesser des einseitig offenen Hohlraumes 8 des Rohlings 7
wird auf Grund einer direkt proportionalen Abahängigkeit zwischen den Querschnitten
des Rohlings 7 und des fertigen Kolbens 1 ausgewählt.Der Bodenteil 9 des einseitig
offenen Ilchlraumes des Kolbenrohlings7 wird als ein Kegelstumpf ausgeführt.
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Der Rohling 10 des Füllstückes 4 wird in Form eines Zylinderkörpers
ausgeführt, dessen Durchmesser dem Durchmesser des einseitig offenen Hohlraumes
8 des Rohlings 7 praktisch gleich ist. Die Länge des Zylinderkörpers 10 ist um 2
bis 3 mm kleiner als die Tiefe des einseitig offenen Hohlraumes 8 des Kolbenrohlings
7. Der Rohling 10 des Füllstückes 4 wird bekanntermassen aus einem spezifisch leichteren
Werkstoff als der Rohling 7 des Kolbens 2 ausgeführt.
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Der Rohling 10 des Füllstückes 4 wird in den einseitig offenen jfohlraum
8 des Kolbenrohlings 7 eingesetzt, wodurch man einen mehrteiligen Rohling 11 des
Kolbens 1 erhält.
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Der mehrteilige Rohling 11 wird einem Vorwärts-Fließpressen durch
eine Matrize 12 (Fig. 3) unterzogen. Die Matrize en auf 12 weist ein / Eingangsteil
mit zwei Fasen /, welche jeweils mit einem Winkel von o( und » zu der Mantellinie
des kalibrierenden
Teiles der Bohrung der Matrize 12 ausgeführt
sind. Der Winkel d beträgt 10 bis 20° und der Winkel 30 bis 50°.
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Wie es aus der Fig. 4 ersichtlich ist, wird der mehrteilige Kolbenrohling
11 einem Vorwärts-Fliesspressen unterzogen. Das Fliesspresswerkzeug enthält eine
Matrize 12 sowie einen zu -dieser koaxial angeordneten Behälter 13. Der Behälter
13 dient als Führung für einen Stempel oder gegebenfalls als Führung für einen zweiten
itiehrteiligen Rohling 1d, welcher den ersten mehrteiligen Rohling 11 durch die
Bohrung der Matrize 12 drückt.
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Am Anfang des Fliesnpressvorgr.rnges eines mehrteiligen Kolbenrohlings
11 werden der Grundkörper des Kolbens sowie der Bodenteil dessen Hohlraumes geformt.
Danach erfolgt das gemeinsame vliesen des Kolbenwerkstoffes (Stahl) und des Füllstückwerkstoffes
(Alluminium). In der letzten Stufe des Fliesspressvorganges bei einer Höhe des Pressrestes
von ungefähr 2 bis 5 mm wird das offene nde des einseitig offenen Hohlraumes des
Kolbenrohlings derart eingeengt, das die durch die äussere Oberfläche und die innere
Oberfläche des zu formenden Kolbens gebildete Wand eine maximale Dicke "a" (s. riß.
1) am offenen Ende des einseitig offenen Kolbenhohlr:wumes aufweist. Die mehrteiligen
Rohlinge werden dem Fliesspresswerkzeug nacheinander der Reihe nach zugeführt, demzufolge
eine kontinuierliche Umformung mit einem kontinuierlichen Austritt der fertigen,
d.h. unlösbar mit dem Füllstück verbundenen, Kolben gewährleistet wird
Beispiel.
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Es werden mehrteilige Kolben hergestellt. Als Werkstoff für die Kolbenrohlinge
werden kohlenstoffarme (C = 0,25%) mittellegierte Stähle verwendet, welche einer
Warmebehandlung in einem chemischen Mittel oder einer anderen Art der Oberflächenverfestigung
unterzogen werden können. Als Werkstoff für die Füllstückrohlinge werden umformbare
Aluminiumlegierungen mit einer Fliessgrenze von 6T = 11 - 22 kp/tnm2 verwendet.
Für eine Leistungserhöhung sowie eine Metalleinsparung wird der becherförmige Kolbenrohling
nach einem Verfahren des Gegen-Pliesspressens hergestellt.
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Die Grundabmessungen von Rohlingen und von durch das Fliesspressen
hergestellten mehrteiligen Kolben sind in der Tabelle angeführt.
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Tabelle.
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Abmessungen der becher- Umfor- Abmessungen der fertiformigen Kolbenrohlinge
mungs- gen Kolben Aussen- IIöhe Durchmesser grad Aussen- Länge Füllstückdurch- des
des einseiting des durch- durchmesmesser e- offenen Hohl- Werk- messer ser des chers
raumes und stof-Bechers des Füll fes stückroh-~~~~~~~ lins ~~~~ 32 34 20 0,5 22,6
90 14 48 75 30 0,54 32,6 150 20
Eine metallografische Untersuchung
der hergestellten Kolben hat eine spiellose, dichte Verbindung des Füllstückes mit
dem Grundkörper des Kolbens nachgewiesen. Die Anlage oberfläche ist entlang der
gesamten Länge wellenförmig, wodurch ein Verdrehen des Füllstückes gegenflber dem
Grundkörper des Kolbens verhindert wird.
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Prüfungen haben ergeben, dass beim Fressen des Füllstückes aus einer
aus dem Mittelteil des Kolbens ausge schnittenen Scheibe das Abscheren im Werkstoff
des Füllstückes und nicht nn der Grenze der zwei Metalle erfolgt.
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L e e r s e i t e