DE3431328C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Mehrhub­ kolbenmaschine, insbesondere eine Mehrhubkolbenmaschine der Axialbauart mit einer an einem Ende des Kolbens in einem Ku­ gelaufnahmeraum auf einer durch eine Lagerschale gebildeten Lagerfläche gelagerten Kugel. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Montage einer Lagerschale für eine Kugel in einem Kolben der genannten Art.

Mehrhubkolbenmaschinen können sowohl als Hydropumpen wie auch als Hydromotoren ausgebildet sein. Damit die Kolben einer solchen Mehrhubkolbenmaschine die erforderlichen hin- und hergehenden Pump- und Saugbewegungen ausführen können, müssen sich die Kolben in geeigneter Weise abstützen. Es ist bekannt, daß sich die Kolben über jeweils eine Kugel beispielsweise an einer Schrägscheibe oder einem ähnlichen Bauteil abstützen.

Üblicherweise ist zu diesem Zweck im einen Kolbenende ein Kugelaufnahmeraum vorgesehen, in dem die Kugel untergebracht ist und sich am Kolben abstützt (vgl. dazu beispielsweise den Prospekt RD 14 250/6.84 der Firma Mannesmann Rexroth).

Ferner ist aus der GB-PS 13 55 325 eine Axialkolbenmaschine mit einer Schrägscheibe bekannt, bei der ein Zylinderblock zusammen mit einer Welle umläuft. Im Zylinderblock unterge­ brachte Kolben besitzen kugelförmige Außenenden, die in Kol­ benschuhen beweglich angeordnet sind. Die Kolbenschuhe ihrer­ seits gleiten auf der Oberfläche der Schrägscheibe. Es wird dabei darauf hingewiesen, daß die kugelförmige Innenoberfläche des Kolbenschuhs mit einer Molybdänschicht versehen sein kann. Die Molybdänschicht ist ihrerseits mit einer weiteren Schicht, bestehend aus einer Legierung von Aluminium und Silizium oder Phosphorbronze, metallisiert. In dem so gebildeten Lager ist das kugelförmige Ende des Kolbens gelagert. Demgegenüber dient der Kolben, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, zum Einbau in eine Mehrhubkolbenmaschine, wobei die am einen Ende des Kolbens vorhandene volle Kugel zum einen im Kolben selbst und zum anderen auf einer Mehrfachhubkurve gelagert ist. Beim Lauf der Kugel entlang der Mehrfachhubkurve wird durch die Drehung der Kugel auf ihrer Lagerfläche im Kolben eine Bohrwirkung von beträchtlicher Größenordnung ausgeübt, weil die Kugel mit einer der Drehzahl entsprechenden relativ großen Geschwindigkeit in einer sphärischen Lagerschale des Kolbens gleitet. Demgegenüber führt das Kugelende des Kolbens der GB-PS 13 55 325 nur eine geringfügige Bewegung aus. Aus der US-PS 40 43 255 ist es bekannt, zur Erreichung einer geringen Reibung die Lagerschale für einen Kolben einer Mehr­ hubkolbenmaschine gänzlich aus Kunststoff vorzusehen. Im Einsatz solcher Kolben hat sich allerdings herausgestellt, daß die Kunststofflagerschale infolge des Betriebsdrucks und der Betriebstemperatur solcher Mehrhubkolbenmaschinen sehr schnell extrudiert, so daß für den gewünschten Betriebsbereich der Maschine keine ausreichende Lebensdauer erreicht werden kann. Damit scheiden Kunststoffe als Lagerfläche für die Kolben der eingangs genannten Art aus.

Weiterhin bekannt sind neben den bereits oben in Zusammenhang mit der GB-PS 13 55 325 beschriebenen Metallager und metalli­ schen Verbundlager auch Lager gemäß GB-PS 13 09 746. Alle diese Lager eignen sich aber nicht für den Einsatz bei der La­ gerung der Kugel eines Kolbens einer Mehrhubkolbenmaschine, da der Reibanteil dieser Materialien so hoch liegt, daß das ge­ wünschte und notwendige Rollen der Kugel auf der Hubkurve be­ hindert wird, so daß ein das Lager zerstörendes Gleiten der Kugel auf der Hubkurve eintritt. Damit scheiden auch metalli­ sche Lager für den Einsatz bei Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kolben einer Mehrhubkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart auszubilden, daß eine geringe Reibung zwi­ schen Kugel und Kolben in zuverlässiger Weise erreicht wird.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor.

Überraschenderweise hat sich trotz der schlechten Erfahrungen mit Kunststoffen herausgestellt, daß bei hinreichend dünnem Auftrag eines Kunststoffs als Lagerwerkstoff auf eine Bronze­ schicht, die ihrerseits auf einem Tragkörper aus Stahl aufge­ tragen ist, die günstigen Eigenschaften dieses Kunststoffs als Lagermaterial mit niedriger Reibung bei einem Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgenutzt werden können, d. h. bei einem Kolben, der mit seiner Kugel mit einer sehr hohen und fast punktuellen Belastung auf das Lagermaterial bei hoher Rotationsgeschwindigkeit der Kugel einwirkt. Dieser überra­ schende Effekt wird auch nicht dadurch verringert, daß Kunststoff verwendende Verbundlagerwerkstoffe für allgemeine Lagerzwecke bereits bekannt sind.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein O-Ring zwischen dem Kolben und der Lagerschale in einer zu­ sätzlichen Ausnehmung im Kolben eingelegt. Dadurch wird die Lagerschale an ihrer, vorzugsweise aus Stahl bestehenden Unterseite gegen Druck abgedichtet, und es wird ferner verhin­ dert, daß sich die Lagerschale unter der Bohrwirkung der Kugel dreht. Vorzugsweise ist die zusätzliche Ausnehmung benachbart zu einer zentralen Druckentlastungsbohrung im Kolben angeord­ net.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 vorgesehen, welches durch die im kennzeich­ nenden Teil angegebenen Schritte gekennzeichnet ist. Durch dieses Verfahren ergibt sich eine einfache und sichere Anord­ nung der Lagerschale im Kolben, wobei der O-Ring unter Vor­ spannung in den Kolben derart eingesetzt wird, daß die vorge­ formte Lagerschale mit einem stempelartigen Werkzeug in ihrem äußersten Randbereich in einen Einstich des Kolbens eingepreßt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Mehrhubkolbenma­ schine mit den erfindungsgemäßen Kugellagermit­ teln;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch das Kugelaufnahmeraum­ ende eines Kolbens;

Fig. 3 einen Längsschnitt wie in Fig. 2, wobei aber hier die Lagerschale für die Kugel in eine Lagerschalen- Ausnehmung des Kugelaufnahmeraums eingesetzt ist;

Fig. 4 einen Schnitt durch den eine Druckentlastungsboh­ rung aufweisenden Kolben einer Mehrhubkolbenmaschi­ ne mit darin gelagerter Kugel;

Fig. 5 einen Schnitt wie in Fig. 4, aber ohne Druckent­ lastungsbohrung; und

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Teil der erfindungsgemä­ ßen Lagerschale.

Fig. 1 zeigt eine Mehrhubkolbenmaschine 100 mit einem Gehäuse 6, in dem eine Welle 5 drehbar gelagert ist, die in bekannter Weise mit Kolben 1 zusammenarbeitet, die über Kugeln 3 sich auf einer durch Körper 9 definierten Mehrfachhubkurve abstützen. Je­ der Kolben besitzt einen - vgl. dazu Fig. 2 - Kugelaufnahme­ raum 13 sowie eine damit in Verbindung stehende Druckent­ lastungsbohrung 11. Fig. 5 zeigt eine Kolbenausbildung ohne Druckentlastungsbohrung.

Gemäß der Erfindung - vgl. Fig. 2 und 3 - ist vorgesehen, daß der Kugelaufnahmeraum 13 eine Lagerschalenausnehmung 40 definiert, in der erfindungsgemäß eine Lagerschale 7 untergebracht ist. Die Lagerschale 7 ist deutlich in den Fig. 3, 4 und 5 zu sehen.

Fig. 6 zeigt im einzelnen, daß die erfindungsgemäße Lagerscha­ le 7 aus einem an sich bekannten Verbundlagerwerkstoff besteht, und zwar aus einem Stahlträger 71, einer aufgegossenen Bronze­ schicht 72 und einer Kunststoffschicht 73. Auf der Kunststoff­ schicht 73 ist die Kugel 3 reibungsarm gelagert.

Für das Reib- und Verschleißverhalten hat es sich als sehr gün­ stig erwiesen, die Kunststoffschicht 73 mit einer Stärke von ca. 0,5 mm auszubilden. Normalerweise ist diese Schicht nur 0,1 bis 0,2 mm stark. Der Stahlträger ist vorzugsweise 1 mm stark. Die Bronzeschicht beträgt weniger als 0,1 mm.

Um nun die im Kolben bzw. Kolbenkörper 1 eingebrachte La­ gerschale 7 an ihrer vorzugsweise aus Stahl bestehenden Unterseite gegen Druck abzudichten und ferner die Lager­ schale 7 unter der Bohrwirkung der Kugel 3 am Drehen zu hin­ dern, sieht die Erfindung vor, daß in einer zusätzlichen Ausnehmung 12 anschließend an eine zentrale Druckentlastungs­ bohrung 11 ein O-Ring 4 eingelegt ist; vgl. Fig. 2-4. Fig. 5 zeigt den O-Ring 4 in entsprechender Weise aber ohne Verwendung der Bohrung 11 angeordnet.

Erfindungsgemäß wird bei der Montage der Lagerschale 7 der O-Ring 4 vorgespannt. Die Vorspannung des O-Rings 4 wird dadurch erreicht, daß die vorgeformte Lagerschale 7 mit ei­ nem stempelartigen Werkzeug mit ihrem äußersten Randbereich in einen Einstich 25 des Kolbens 1 gepreßt wird.

Die Fig. 2 und 3 wie auch die Fig. 4 und 5 veranschaulichen die Erfindung im einzelnen. In Fig. 2 sitzt weder die La­ gerschale 7 noch die Kugel 3 im Kolbenaufnahmeraum 13. Al­ lerdings befindet sich die O-Ringdichtung 4 bereits in der zugehörigen Ausnehmung 12, die sich vorzugsweise unmittel­ bar an die Druckentlastungsbohrung 11 anschließt. Es ist auch möglich, die Ausnehmung 12 derart auszubilden, daß der O-Ring 4 nicht unmittelbar an die Druckentlastungsboh­ rung 11 angrenzt.

Der Kolbenaufnahmeraum 13 wird praktisch durch die insge­ samt mit 20 bezeichnete Kolbenlagerwand definiert, die ihrerseits von innen nach außen gesehen Kolbenlagerwandteile 21, 22 und 23 besitzt. Gestrichelt bei 40 ist in Fig. 2 die Lagerscha­ lenausnehmung 40 angedeutet, die zur Aufnahme der Lager­ schale 7 dient, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Ganz allgemein wird der Kugelaufnahmeraum 13 durch den Kol­ ben 1 von einer Kugelraumfläche 30 begrenzt, die beispiels­ weise in drei Flächen 41, 44, 45 unterteilt werden kann. Die Fläche 41 liegt zwischen den Radien 42, 43 (Fig. 2), die Fläche 44 erstreckt sich zwischen Radius 43 und Ein­ stich 25 und die Fläche 45 schließlich erstreckt sich vom Einstich 25 aus nach außen.

Vorzugsweise besitzt die Lagerschale 7 an ihrem Rande ein End­ teil 8 mit einer Form entsprechend dem Einstich 25; im darge­ stellten Ausführungsbeispiel hat das Endteil 8 eine (entspr. Fig. 6) am äußeren Umfang nachgearbeitete, d. h. zylindrisch abgedrehte Gestalt, d. h. der im Querschnitt drei­ eckförmige Bereich 74 ist entfernt. Dadurch erreicht man, daß die Lagerschale 7 sich in dem in Fig. 3 ge­ zeigten vorgespannten Zustand halten kann und daß die notwen­ dige Festigkeit der Kolbenwand (insbesondere des Kolbenlagerwand­ teils 22) erhalten bleibt.

Zur Montage der Lagerschale 7 wie auch der Kugel 3 geht man erfindungsgemäß wie folgt vor. In den Kolbenaufnahme­ raum 13 gemäß Fig. 2 wird zunächst die vorgeformte Lager­ schale 7 mit einem stempelartigen Werkzeug eingepreßt, und zwar derart, daß die Lagerschale 7 mit ihrem äußersten Rand­ bereich, nämlich dem Endteil 8, in den Einstich 25 des Kol­ bens 1 gepreßt wird. Man hat dann den Zustand gemäß Fig. 3 erreicht. Daraufhin setzt man die Kugel 3 ein und, um den fertigen Zustand gemäß Fig. 4 zu erreichen, wird der äu­ ßerste Kugellagerwandteil 23 um die Kugel 3 herumgebördelt, wie dies in Fig. 4 und 5 dargestellt ist.

Wenn im Betrieb die Kugeln 3 auf der Mehrfachhubkurve laufen, so sind sie größtenteils in dem in Fig. 3 mit A bezeichne­ ten Bereich der Lagerfläche 35 der Lagerschale 7 gelagert.

Fig. 5 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Kolbens ohne zentrale Entlastungsbohrung. In diesem Fall läuft die Kugel ohne Teildruckentlastung in der Lagerschale wie ein reines Gleitlager. An der Art der Lagerschalenbefestigung und -montage ändert sich aber hierdurch nichts.

Claims (10)

1. Kolben für eine Mehrhubkolbenmaschine mit einer an einem Ende des Kolbens in einem Kugelaufnahmeraum (13) auf einer durch eine Lagerschale gebildeten Lagerfläche gelagerten Kugel (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (7) aus einem Verbundlagerwerkstoff besteht, der einen Stahlträger (71) mit einer Bronzeschicht (72) und eine die Kugel (3) lagernde Kunststoffschicht (73) aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (73) der Lagerschale (7) 0,1 bis ca. 0,5 mm stark ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale mit ihrer Unterseite durch einen O-Ring (4) gegen Druck abgedichtet ist.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring in einer Ausnehmung (12) im Kolben (1) angeordnet ist.

5. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (4) unter Vorspannung im Stahlträger (71) der Lagerschale (7) anliegt, nachdem die Lagerschale (7) in eine Lagerschalenausnehmung (40) des Kolbens (1) eingesetzt ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschalenausnehmung (40) einen Einstich (25) aufweist, in dem ein Endteil (8) der Lagerschale (7) im eingesetzten Zustand der Lagerschale (7) sitzt.

7. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschale (7) eine mit einer Druckentlastungsbohrung (11) des Kolbens (1) fluchtende Bohrung aufweist, und daß die Dichtung (4) unmittelbar benachbart zur Bohrung (11) im Kolben (1) angeordnet ist.

8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben keine zentrale Entlastungs­ bohrung hat (Fig. 5).

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ende der Lagerschale (7), welches in den Einstich (25) eingreift und an die Innenwand des Kolbenlagerwandteils (22) anstößt, zylindrisch abgedreht ist.

10. Verfahren zur Anbringung einer Lagerschale (7) in einem Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgeformte Lagerschale (7) mit einem stempelartigen Werkzeug in eine Lagerschalenausnehmung (40) des Kolbens (1) derart eingepreßt wird, daß die Lagerschale (7) in einem Einstich (25) des Kolbens gehalten ist, worauf dann die Kugel (3) eingesetzt wird und der äußerste Kolben­ lagerwandteil (23) um die Kugel herumgebördelt wird.