DE3942212C2 - Verfahren zur Herstellung einer metallisch dichtenden Spielpassung zwischen einem Innen- und einem Außenteil sowie ineinander fügbare Teile zur Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung einer Spielpassung zwischen einem Innen- und einem Außenteil nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2, sowie auf ineinander tilgbare Teile zur Anwendung der Verfahren.

Verfahren zur Herstellung von Spielpassungen sind in der Technik bereits hinreichend bekannt und werden aus den verschiedensten Gründen und für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle benötigt. Häufig werden mittels dieser Verfahren kinematische Vorgänge ermöglicht die besondere mechanische sowie thermische Anforderungen an die einzelnen Bauteilkomponenten stellen.

Hierzu sei beispielsweise auf einen hydraulischen Kraftverstärker gemäß DE 37 01 018 A1 hingewiesen, in dessen Verstärkergehäuse sowohl die Druckstange, der Verstärkerkolben, wie auch das Schieberventil zur Einsteuerung des Speicherdruckes in den Verstärkerraum gleitend abgedichtet und geführt sind. Hierbei ergibt sich im Gegensatz zu dem speziell mit Dichtungselementen versehenen Verstärkerkolben und Druckstangenkolben bei bloßer metallischer Abdichtung des Schieberventils Spaltstrom bzw. Leckageverluste, die unerwünscht sind und bisher nur mit verhältnismäßig hoher Präzision (Passungsspiel 2,5-4,5 Mikrometer) und damit auch mit verhältnismäßig hohem Herstellungsaufwand vermieden werden konnten. Dieser Aufwand ergibt sich im Besonderen aus der Art und Häufigkeit der erforderlichen Produktionsschritte sowie der zwingend erforderlichen Qualitätskontrolle des Zwischenproduktes im Laufe des Produktionsprozesses. Hierbei soll lediglich auf die Notwendigkeit der Oberflächenfeinstbearbeitung, beispielsweise mittels Läppen und der anschließend selektiven Auswahl und Zuordnung jedes Schieberventils zum maßtolerierten Verstärkergehäuse zur Wahrung des engtolerierten Passungsspieles verwiesen werden.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine metallisch dichtende Spielpassung der eingangs genannten Gattung unter Anwendung eines neuartigen Verfahrens weiterzubilden, damit unter Vermeidung der zuvor genannten Nachteile eine gleichzeitige Funktionssteigerung und kostengünstige Herstellung zu einer kleinstmöglichen funktionsgeeigneten Spielpassung mit entsprechend enger Maßtoleranz führt.

Die Aufgabe wird auf überraschend einfache und technisch fortschrittliche Weise durch die den Patentanspruch 1 und den nebengeordneten Patentanspruch 2 kennzeichnenden Merkmale gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind den Patentansprüchen 3 bis 5 entnehmbar. Ineinander fügbare Teile zur Anwendung der Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2 sind den Patentansprüchen 6 bis 18 entnehmbar.

Es ist somit einerseits ein Herstellverfahren sowie andererseits Teile für metallisch dichtende Spielpassungen geschaffen, die bei minimalem Fertigungsaufwand enge Spielpassungstoleranzen aufweist, so daß relativ kleine Leckageverluste bei einer metallischen Gleitflächenabdichtung unterbleiben.

Als vorteilhaft erweist sich die Ausbildung der Kalibrierstufe beispielsweise im Außenteil in Form einer divergent erweiterten Öffnung, um eine Zentrierung sowie einen stetigen Übergang zum Einfügen, bzw. Anpassen des Innenteils an die Steueröffnung zu bewerkstelligen. Hierzu ist es in der Weiterbildung des Erfindungsgedankens günstig, das Außenmaß des Innenteils kleiner auszufahren, als das größte Kalibriermaß der Kalibrierstufe im Übergangsbereich zwischen der Anfasung und der Öffnung.

Um ein minimales Spiel im Sinne der geforderten Dichtwirkung zwischen dem Außen- und dem Innenteil realisieren zu können, sieht die Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes vor, das Außenmaß des Innenteils größer, als das Innenmaß des Außenteils zu wählen.

Als besonders nützlich erweist es sich, die Kalibrierstufe unter einem relativ flachen Kalibrierwinkel von maximal 5 Grad in die Steueröffnung einmünden zu lassen, damit während des Einpressvorganges des Innenteils keine allzu großen Kräfte aufgewendet werden müssen und Beschädigungen der Ober­ fläche unterbleiben. Ebenfalls ist ein größerer Übergangsradius vorteilhaft.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus den folgenden Darstellungen einiger Ausführungsbeispiele (Fig. 1-4) anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch das hohlzylinderförmige Außenteil 4 mit dem koaxial vorgelagerten zylinderförmigen Innenteil 1. Zur günstigen Ausrichtung und zum Schutz gegen eine etwaige Beschädigung der Öffnung des Außenteils 4 ist diese im Bereich der Seitenfläche mit einer Anfasung 6 versehen, so daß das Innenteil 1 problemlos in den Abschnitt der Anfasung 6 eingeführt werden kann. Dem Fasenwinkel Y schließt sich die Kalibrierstufe 5 an, die unter einem relativ kleinen und somit spitzen Kalibrierwinkel X von maximal 5 Grad den geometrischen Übergang zur eigentlichen Steueröffnung 3 des Außenteils 4 herstellt. Das dem Außenteil 4 zugeordnete Innenteil 1 verfügt nach der abbildungsgemäßen Darstellung über zwei in einem Abstand zueinander angeordnete das Innenteil 1 radial umschließende Bunde 2, die nach Wunsch oder Bedarf eine nahezu beliebige und in der Regel kostengünstig zu realisierende Profilform aufweisen. Beispielhaft zeigt die Fig. 1 eine spezielle Ausführungsform des Bundes 2, versehen mit einer dreieckförmigen Profilstruktur, wobei die normalerweise spitz zulaufenden Dreiecksseiten abgestumpft sind, um einerseits eine Beschädigung der Oberfläche während der Kontaktierung der Kalibrierstufe 5 zu verhindern, und andererseits die Einpresskräfte während des Fügevorganges gering zu halten.

Die Herstellung des zylinderförmigen Innen- und Außenteiles 1, 4 geschieht vorzugsweise durch spanabhebende Fertigungsverfahren, beispielsweise durch Formdrehen, Kugeln und Bohren, so daß zwar einerseits nur Gleitflächen mit minderer Qualität der Oberfläche (IT 7-9) entstehen, jedoch unter Berücksichtigung der konstruktiven Merkmale keine weitere Feinbearbeitung zur Erzielung des geforderten leckageminimierten Passungsspieles im engen Toleranzbereich von wenigen Mikrometern, sowie der auf konventionellem Herstellungswege erzielten Oberflächengüte verlangt.

Unmittelbar vor dem Zusammenfügen der beiden Teile wird durch geeignete Mittel ein Temperaturunterschied zwischen dem Innenteil 1 und dem Außenteil 4 geschaffen, wobei die Temperatur des Innenteils 1 in Abhängigkeit von der gewünschten Spielpassung gegenüber dem Außenteil 4 größer einzustellen ist. Die Temperaturdifferenz der Teile vor der Montage bestimmt im wesentlichen nach dem Fügevorgang und dem anschließenden Temperaturausgleich die Größe des Spieles zwischen den Gleitflächen. Die Streuung der Materialfestigkeit hat hierbei nur einen untergeordneten, d. h. vernachlässigbaren Einfluß. Infolge der trichterförmigen Verjüngung der Kalibrierstufe 5 paßt sich während des Montagevorganges zunächst der Außendurchmesser d2 des Bundes 2 stetig dem abnehmenden Innendurchmesser des Außenteiles 4 bis zum Erreichen des Innendurchmessers D1 der Öffnung 3 an. Das überstehende Material des Bundes 2 wird dabei plastisch verformt, so daß in Abhängigkeit von der bereits erwähnten Temperaturdifferenz der beiden Teile ein mehr oder weniger starker Materialabtrag mit gleichzeitiger Glättung der Oberflächen die Materialverfestigung begünstigt. Nach stetiger Anpassung des Außenmaßes d2 am Bund 2 an das Innenmaß D1 der Öffnung 3 wird das erwärmte zylinderförmige Innenteil 1 unter Einwirkung definierter Kräfte mit konstanter Geschwindigkeit weiter in die Öffnung 3 eingepreßt, wobei zur Reduzierung der Einpresskräfte der Bund 2 schmal, bzw. in Radialrichtung verjüngt ausgeführt ist. Nach dem Einpressen und dem Temperaturausgleich zwischen dem Innen- und dem Außenteil 1, 4 entsteht in Abhängigkeit von der zuvor auf beide Teile einwirkenden, unterschiedlichen Erwärmung und dem damit gezielt ausgelösten Verformungsgrad der Gleitflächen eine eng tolerierte Spielpassung, die eine erheblich vereinfachte, präzise Herstellung von metallischen Dichtflächen verschiedener Bauteilkomponenten ermöglicht.

Durch die erfindungsgemäße metallisch dichtende Spielpassung und dessen Herstellungsverfahrens sind auf kostengünstige Weise die Forderungen nach niedrigen Verschiebekräften, geringen Haftreibungszahlen, sowie die Eignung zum Betrieb unter verschiedenen Temperaturen erfüllt, ohne im Gegensatz zum Stand der Technik eine nennenswerte Funktionseinschränkung in Kauf nehmen zu müssen.

Das Ausführungsbeispiel zeigt exemplarisch eine spezielle Ausführungsform mit rotationssymetrischen Gleitflächen. Ebenso ist die Erfindung auf nicht rotationssymetrische Gleit­ flächen übertragbar. Des weiteren ist äquivalent zu dem Ausführungsbeispiel eine Umkehrung dieser speziellen Ausführungsform denkbar. Der Erfindungsgedanke ist ebenso auf eine Vielzahl weiterer Anwendungen bei fluidtechnischen Komponenten, zum Beispiel Wegeventilen, Plungerkonzepten, Abdichtung von Kolbenstangen und rotierenden Wellen übertragbar, ohne einen Anspruch auf detaillierte Darstellung erheben zu müssen.

Fig. 2 zeigt eine Umkehrung der relevanten baulichen Merkmale in dem mehrere quer zur Körperlängsachse angeordnete Bunde (2) in der Öffnung (3) des Außenteils (4) angeordnet sind, die mit der am Innenteil (1) kegelförmigen Kalibrierstufe (5) eine definierte Verformung der in die Öffnung (3) ragenden Bunde (2) unter Hervorrufen einer gleichzeitigen Glättung und Materialverfestigung ermöglichen.

Fig. 3 zeigt sinnvolle Profilquerschnitte, die in Hinsicht auf die Ausgestaltung der am Außen- oder Innenteil (1, 4) angeordneten Bunde (2) zur Anwendung gelangen. Die Darstellung zeigt Trapezprofile mit und ohne Kopf und Fußradien, des weiteren sägezahnförmige sowie symmetrische Dreiecksprofile. In der einfachsten Ausführungsform ist der Bund (2) mit einem rechteck- oder quadratförmigen Profilquerschnitt versehen, um eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen.

Fig. 4 zeigt die alternative Ausführungsmöglichkeit zur Gestaltung der Kalibrierstufe (5) am Außenteil (4) bzw. am Innenteil (1). Dabei kann die Kalibrierstufe (5) beispielhaft aus einem Radius mit stetigem Kurvenzug den Flächenabschluß bilden oder aus der Kombination einer Geraden mit daran angrenzenden Radien ausgeführt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung einer metallisch dichtenden Spielpassung zwischen einem Innenteil (1) und einem Außenteil (4) durch Zusammenfügen von Innenteil (1) und Außenteil (4), dadurch gekennzeichnet, daß das
Innenteil (1) und das Außenteil (4) gleichzeitig ineinander gepreßt werden,
während des Ineinanderfügen des Innen- und Außenteils (1, 4) die Maßdifferenz zwischen Innenmaß (D1) des Außenteils (4) und des Außenmaßes (d2) des Innenteils (1) vergrößert wird, und
ein Ausgleich der Maßdifferenz derart erfolgt, daß ein definierter Spalt zwischen dem Außenteil (4) und dem Innenteil (1) entsteht.

2. Verfahren zur Herstellung einer metallisch dichtenden Spielpassung zwischen einem Innenteil (1) und einem Außenteil (4) durch Zusammenfügen von Innenteil (1) und Außenteil (4), dadurch gekennzeichnet, daß
unmittelbar vor dem Ineinanderfügen des Innen- und Außenteils (1, 1) die Maßdifferenz zwischen Innenmaß (D1) des Außenteils (4) und des Außenmaßes (d1) des Innenteils (1) durch Erzeugung eines Temperaturunterschiedes zwischen dem Außenteil (4) und dem Innenteil (1) hergestellt wird, wobei das Innenteil (1) eine höhere Temperatur als das Außenteil (4) aufweist, und
daß entweder die Erwärmung des Innenteils (1), insbesondere durch Warmauslagerung oder induktive Erwärmung geschieht, oder durch Unterkühlung des Außenteils (4), insbesondere durch Kaltauslagerung vollzogen wir, oder durch Kombination aus Erwärmung des Innenteils (1) und Unterkühlung des Außenteils (4) ein definierter Temperaturunterschied eingestellt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer metallisch dichtenden Spielpassung zwischen einem Innenteil (1) und einem Außenteil (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Maßdifferenz durch eine mechanische Verkleinerung bzw. durch Verpressen des Außenteils (4), insbesondere durch Einwirkung eines hydraulischen Druckes auf den Außenbereich des Außenteils (4) erzeugt wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer metallisch dichtenden Spielpassung zwischen einem Innenteil (1) und einem Außenteil (4) nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Maßdifferenz durch eine mechanische Vergrößerung des Innenteils (1), insbesondere durch hydraulische Druckbeaufschlagung eines Innenbereiches des Innenteils (1) vollzogen wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer metallisch dichtenden Spielpassung nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Maßdifferenz zwischen Innenteil (1) und Außenteil (4) durch die Kombination einer mechanischen Verkleinerung des Außenteils (4) und einer mechanischen Vergrößerung des Innenteils (1) erzielt wird.

6. Ineinander fügbare Teile zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenteil (1) an ei­ ner Stelle eine größere Weite aufweist als die Größe der Öffnung (3) im Außenteil (4).

7. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Teile im erstmalig kontaktierenden Bereich eine Kali­ brierstufe (5) aufweist, die zur Herstellung der Spiel­ passung mindestens an einem der Teile (1, 4) eine plasti­ sche Verformung bewirkt, so daß zwischen dem Außenmaß (d2) des Innenteils (1) und dem Innenmaß (D1) des Außen­ teils (4) ein definierter Spalt entsteht.

8. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstufe (5) aus einer in Axialrichtung zur Körperberandung divergent verlaufenden Erweiterung gebildet ist.

9. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierwinkel (X) zwischen dem Innenteil (1) und der Mantelfläche der Kali­ brierstufe (5) am Außenteil (4) angeordnet ist, der aus einem spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Grad, gebildet ist.

10. Ineinander fügbare Teile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Kalibrierwinkel (X) bis zur Stirnfläche des Außen­ teils (4) ein gleichgerichteter Phasenwinkel (Y) an­ schließt, dessen spitzer Winkel vom Betrage her größer ist, beispielsweise 30-45 Grad, als der Kalibrierwinkel (X).

11. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Übergänge im Bereich des Kalibrier- und Phasenwinkels (X, Y) der Kalibrierstufe (5) gerundet ist.

12. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierstufe (5) eine gekrümmte Fläche aufweist, die vorzugsweise als Radius ausgeführt ist.

13. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem Bund (2) gebildete Außenmaß (d2) kleiner ist, als das radialausge­ richtete maximale Kalibriermaß (D2) der Kalibrierstufe (5).

14. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 13 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenmaß (d2) des Innenteils (1) vor dem Fügevorgang größer ist, als das Innenmaß (D1) des Außenteils (4).

15. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenteil (1) oder das Außenteil (4) mindestens einen quer zur freien Ver­ schiebeachse der Führung angeordneten Bund (2) aufweist.

16. Ineinander fügbare Teile nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Innenteil (1) oder am Außenteil (4) vorgesehene Bund (2) im Profilquerschnitt vorzugsweise als dreieck-, rechteck- oder trapezförmig gestaltete Erhebung, vorzugs­ weise gerundet, ausgeführt ist.

17. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (2) am Innen- oder Außenteil (1, 4) zumindest kleinflächig ver­ jüngt, vorzugsweise gerundet ist.

18. Ineinander fügbare Teile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenteil (1) im An­ fangsbereich mit einer Kugelfläche oder mit einem Kugel­ körper versehen ist.