DE9302128U1

DE9302128U1 - Kolben für eine Hochdruckpumpe

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Publication number: DE9302128U1
Application number: DE9302128U
Authority: DE
Original assignee: Alfred Kaercher SE and Co KG
Current assignee: Alfred Kaercher SE and Co KG
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1993-02-15
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2003-02-16

Description

A 51 220 u Anmelderin: Alfred Kärcher GmbH & Co. u-223 Alfred-Kärcher-Straße 28-30

15. Februar 1993 7057 Winnenden

BESCHREIBUNG KOLBEN FUR EINE HOCHDRUCKPUMPE

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hochdruckpumpe mit einem zylindrischen Metallteil und einem koaxial dazu angeordneten zylindrischen Keramikteil, die beide miteinander verschweißt oder verlötet sind.

Ein derartiger verlöteter Kolben ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 39 14 333.

Beim Verbinden dieser Teile ist es schwierig, diese exakt zu positionieren. Wenn die zwischen Keramikteil und Metallteil angeordnete Metallschicht flüssig wird, besteht die Gefahr, daß die beiden Teile gegeneinander verschoben werden, so daß die beiden Teile im fertigen Kolben entweder seitlich gegeneinander versetzt oder geringfügig gegeneinander geneigt sind.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß beim Verbinden derartige unkontrollierte Fehlpositionierungen vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Metallteil zumindest in seinem dem Keramikteil benachbarten Bereich eine zentrale Ausnehmung aufweist, in die der Keramikteil eintaucht und durch die er relativ zum Metallteil zentriert ist.

Auf diese Weise ist es nicht notwendig, zusätzliche Positioniervorrichtungen zu verwenden, um die beiden Teile relativ zueinander zu positionieren, sondern die beiden Teile zentrieren sich relativ zueinander selbst und fixieren dadurch ihre Position auch während des Verbindungsvorganges, zum Beispiel beim Verlöten.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Anschlag vorgesehen ist, der die Eintauchtiefe des Keramikteils in den Metallteil begrenzt.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Metallteil als Hülse ausgebildet sein, die an ihrem dem Keramikteil abgewandten Ende ein Kupplungselement trägt, beispielsweise einen Kugelkopf, der gelenkig in einem Gleitschuh eines Taumelscheibenantriebes gelagert ist.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß der Keramikteil eine zentrale Ausnehmung aufweist, die zum Metallteil hin offen ist. Insbesondere in Kombination mit einem hülsenförmigen Metallteil wird auf diese Weise ein besonders massearmer und damit leichter Kolben möglich, der trotzdem

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beim Verbinden eine einwandfreie Relativpositionierung der beiden Teile ermöglicht.

Die Ausnehmung kann kegelstumpfförmig ausgebildet sein und sich zum Metallteil hin erweitern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag durch eine zurückgesetzte Stufe am Außenmantel des Keramikteils gebildet, an der der Metallteil unmittelbar oder über eine Zwischenlage anliegt.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Anschlag durch eine zurückgesetzte Stufe an der Innenwand des Metallteiles gebildet wird, an der der Keramikteil unmittelbar oder über eine Zwischenlage anliegt.

Vorteilhaft ist es, wenn zwischen Metallteil und Keramikteil ein metallisches Zwischenstück eingelegt ist, welches einen über den Außenmantel des Keramikteils radial vorstehenden Rand trägt. Dieses metallische Zwischenstück dient einmal als Spannungsausgleich zwischen Metallteil und Keramikteil, zum anderen ermöglicht der radial vorstehende Rand eine elektrische Verbindung des Metallteiles mit einer Spannungsquelle. Dies ist beispielsweise bei einer Plasmaoberflächenbehandlung des Metallteiles notwendig.

Es kann vorgesehen sein, daß Metallteil und Keramikteil den gleichen Außendurchmesser aufweisen und daß der überstehende Rand des Zwischenstückes längs des Mantels der beiden Teile einen Schwächungsbereich aufweist. Nach der Herstellung der Verbindung und gegebenenfalls nach der Plasmaoberflächenbehandlung kann dieser überstehende Rand

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abgeschert werden, beispielsweise durch eine über den Kolben geschobene Hülse, so daß ein durchgehender Außendurchmesser für den Kolben geschaffen wird.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der Außendurchmesser des Metallteiles größer als der des Keramikteils. In diesem Falle legt sich der Rand des Zwischenstückes an die überstehende Unterseite des Metallteiles an und steht nicht über dessen Außenmantel vor. Auch hier ist es möglich, den Rand, der an der Unterseite des Metallteiles freiliegt, als elektrischen Anschluß zu verwenden, jedoch wird dieser Rand auch nach der Plasmabehandlung nicht entfernt, sondern verbleibt unverändert.

Günstig ist es, wenn sich das Zwischenstück zwischen die Innenwand des Metallteiles und die Außenwand des eintauchenden Keramikteils erstreckt. Dies gewährleistet eine einwandfreie Zentrierung des Zwischenstückes und erhält die exakte Zentrierung des Metallteiles relativ zum Keramikteil .

Es kann vorgesehen sein, daß das Zwischenstück eine Verlängerung des Metallteiles bildet und die zentrale Öffnung aufweist, in die der Keramikteil eintaucht. Das Zwischenstück bildet somit das untere Ende des Metallteiles aus.

Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Zwischenstück den die Einschubtiefe des Keramikteils begrenzenden Anschlag bildet. Auf diese Weise können Abmessungen für ein Metallteil und ein Keramikteil verwendet werden, bei denen der Außendurchmesser des Keramikteils gleich oder kleiner ist als die lichte weite der Ausnehmung des Metallteiles.

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Vorzugsweise ist das Zwischenstück an seinen Anlageflächen am Metallteil und am Keramikteil mit diesen verlötet, so daß eine möglichst großflächige Verlötung der beiden Teile unter Zwischenlage des Zwischenstückes erfolgt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1 : einen Längsschnitt durch einen Pumpenkolben mit einem Keramikteil und einem Metallteil;

Figur 2 : eine vergrößerte Teilansicht des Verbindungsbereiches des Keramikteils und des Metallteiles gemäß Kreis A in Figur 1;

Figur 3 : eine Ansicht ähnlich Figur 2 eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispieles eines Pumpenkolbens;

Figur 4 : eine Ansicht ähnlich Figur 1 eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispieles eines Pumpenkolbens und

Figur 5 : eine vergrößerte Detailansicht des Kreises B in Figur 4.

Der in der Zeichnung dargestellte Pumpenkolben 1, der beispielsweise in Axialkolbenpumpen für Hochdruckreinigungsgeräte eingesetzt werden kann, umfaßt einen zylindrischen

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Keramikteil 2, einen ebenfalls zylindrischen Metallteil 3 und einen an diesem festgelegten Kopf 4, der hier in Form eines Kugelkopfes ausgebildet ist, der beispielsweise gelenkig in einem Gleitschuh eines Taumelscheibenantriebes gelagert sein kann.

Der Keramikteil 2 ist als einseitig verschlossene Hülse ausgebildet, er weist eine sich über den größten Teil seiner Länge erstreckende, kegelstumpfförmige Ausnehmung 5 auf, die sich zum Metallteil 3 hin erweitert. Der Keramikteil kann beispielsweise zu mindestens 80% aus einer Al^O^-Keramik bestehen.

Der Metallteil 3 ist als metallische Zylinderhülse ausgebildet, diese kann aus einem niedrig- oder hochlegierten Stahl bestehen, beispielsweise einem Nitrierstahl oder einem Cr-Stahl, insbesondere einem rostfreien Stahl. Der Kopf 4 kann mit dem dem Keramikteil 2 abgewandten Ende des Metallteiles 3 über eine Abschlußplatte 6 verbunden sein, diese kann mit dem hülsenförmigen Metallteil 3 verlötet oder verschweißt werden.

Der Metallteil 3 weist an seinem dem Keramikteil 2 zugewandten Ende eine äußere Umfangsnut 7 auf, durch die in diesem Bereich eine erhöhte Verformbarkeit gewährleistet wird, so daß der hülsenförmige Metallteil in diesem Bereich auch erhöhte Spannungen aufnehmen kann.

Auf der Innenseite des Metallteiles 3 ist am unteren Ende eine Stufe 8 eingelassen, so daß im Bereich dieser Stufe 8 eine zur Unterseite des Metallteiles 3 hin offene zentrale Ausnehmung 9 gebildet wird. In diese Ausnehmung 9 taucht

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der Keramikteil 2 ein und wird in dieser Ausnehmung 9 zentriert.

Im Eintauchbereich ist der Keramikteil 2 mit einer oberflächlichen Metallisierungsschicht 10 belegt, die beispielsweise aus einer Mangan-Molybdän-Legierung oder aus Wolfram besteht und eine Schichtdicke zwischen 5 und 20 pm haben kann. Darauf ist eine dünne Nickelschicht 11 gelegt, deren Stärke beispielsweise zwischen 2 und 5 pm liegt.

Zwischen den Keramikteil 2 und den Metallteil 3 ist ein Zwischenstück 12 eingelegt, welches dicker ausgebildet ist, beispielsweise kann die Dicke bei 1,5 mm liegen. Dieses Zwischenstück besteht beispielsweise aus Nickel, einer Eisen-Nickel-Legierung, einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, aus Titan oder einer Titan-Legierung, aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 umfaßt dieses Zwischenstück 12 eine parallel zur Längsachse des Kolbens angeordnete Ringwand 13, die zwischen der Innenwand der Ausnehmung 9 und der Außenwand des Keramikteils 2 angeordnet ist und sich über die gesamte Höhe der Ausnehmung 9 erstreckt. Am unteren Ende geht die Ringwand 13 in einen radial nach außen abstehenden Rand 14 über, dessen Oberseite an der Unterkante des Metallteiles 3 anliegt. An der Oberseite schließt sich an die Ringwand 13 ein radial nach innen vorspringender Flansch 15 an, der an der Stufe 8 des Metallteiles 3 anliegt.

Zwischen das Zwischenstück 12 und den Metallteil 3 einerseits und die Nickelschicht 11 des Keramikteils 2 andererseits ist Lot 16 in Form einer Metallfolie oder einer Metallpaste eingelegt. Diese Schicht kann beispielsweise ei-

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ne Stärke bis zu 50 pm haben und aus Ag-Cu, aus Cu, aus einer Nickelbasis-Legierung, aus Au-Ni oder einer Palladiumbasis-Legierung bestehen und je nach Materialwahl eine Schmelztemperatur zwischen 600 und 1250° C aufweisen.

In der Zeichnung sind die Metallisierungsschicht 10, die Nickelschicht 11 sowie die Schicht des Lotes 16 gegenüber dem Zwischenstück 12 der besseren Deutlichkeit wegen zu dick dargestellt. Bei maßstabsrichtiger Darstellung ist praktisch der gesamte Zwischenraum zwischen Metallteil 3 einerseits und Keramikteil 2 andererseits durch das Zwischenstück 12 ausgefüllt, so daß der Keramikteil 2 im Metallteil 3 zentriert ist. Außerdem liegt der Keramikteil 2 an der Unterseite des Flansches 15 des Zwischenstückes 12 an, so daß dadurch ein Anschlag gebildet wird, der die Einschubtiefe des Keramikteils 2 in den Metallteil 3 begrenzt. Da der Flansch 15 an der Stufe 8 des Metallteiles 3 anliegt, bildet letztlich diese Stufe 8 den Anschlag.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist ein ähnlicher Aufbau gewählt, gleiche Teile tragen daher dieselben Bezugszeichen.

Im Unterschied zur Ausführung der Figur 2 fehlt bei dieser Ausführung die Stufe 8 an der Innenseite, statt dessen ist an der Außenseite des Metallteiles 3 eine entsprechende Stufe 17 vorgesehen.

Das Zwischenstück 12 ist in diesem Falle als hülsenförmige Verlängerung zum Metallteil 3 ausgebildet und in die Stufe 17 eingesetzt. An der Unterkante des Metallteiles 3 liegt ein radial nach innen abstehender Flansch 18 des Zwischen-

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Stückes 12 am Metallteil 3 an, der unterhalb des Flansches 18 liegende Teil des hülsenförmigen Zwischenstückes 12 bildet die Zentrierausnehmung 8, in die der Keramikteil 2 eingeschoben ist. Der Flansch 18 bildet dabei einen Anschlag, der die Eintauchtiefe des Keramikteils 2 begrenzt.

Bei den beiden bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Außendurchmesser des Metallteiles 3 größer als der des Keramikteils 2. Im Übergangsbereich wird der untere Rand des Metallteiles 3 abgedeckt durch das metallische Zwischenstück 12, das in diesem Bereich freiliegt. An dieser Stelle kann daher ein elektrischer Anschluß angebracht werden, über den der Metallteil 3 mit einer Spannungsquelle verbunden wird. Dazu kann beispielsweise eine metallische Hülse verwendet werden, in die der Keramikteil 2 eingeschoben wird und auf die sich das Zwischenstück 12 elektrisch leitend aufsetzt. Diese Hülse hat zudem den Vorteil, bei einer anschließenden Plasmabehandlung des Kolbens den Keramikteil abzudecken, so daß diese Behandlung ausschließlich den Metallteil erfaßt.

Der in den Figuren 4 und 5 dargestellte Kolben ist ebenfalls ähnlich aufgebaut wie der der Figur 1, einander entsprechende Teile tragen auch hier dieselben Bezugszeichen.

Der Metallteil 3 dieses Kolbens ist mit keiner Stufe versehen, sondern durchgehend als Hülse ausgebildet, deren Innenraum gleichzeitig an seinem unteren Ende die Ausnehmung 9 aufweist, in die der Keramikteil 2 eintaucht.

Dieser ist im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen an der Oberseite mit einer umlaufenden

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Stufe 19 versehen, so daß sich der Keramikteil von oben nach unten stufig erweitert. Der obere, im folgenden als zylindrischer Vorsprung 20 bezeichnete Teil des Keramikteils 2 taucht in den Innenraum des Metallteiles 3 ein, der daran anschließende, erweiterte Teil stützt sich mit einer den Vorsprung 20 umgebenden Ringschulter 21 an der Unterkante des Metallteiles 3 ab.

Das Zwischenstück weist in diesem Falle lediglich die Ringwand 13 und den nach außen weisenden Rand 14 auf, die Ringwand 13 ist dabei zwischen der Innenwand des Metallteiles 3 und der Außenwand des Vorsprunges 20 angeordnet, der Rand 14 zwischen der Unterkante des Metallteiles 3 und der Ringschulter 21 des Keramikteils 2. Der Rand 14 ragt bei diesem Ausführungsbeispiel radial über den Außenumfang des Keramikteils 2 und des Metallteiles 3 hervor, im Bereich der Mantelfläche des Keramikteils 2 und des Metallteiles 3 weist er einen in Umfangsrichtung umlaufenden Schwächungsbereich 22 auf, in dem die Materialstärke herabgesetzt ist, beispielsweise liegt sie bei 0,3 mm.

Dieser seitlich überstehende Randbereich ermöglicht es einerseits, in ähnlicher Weise wie bei dem Zwischenstück in den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 3 für die Plasmaoberflächenbehandlung eine elektrische Verbindung zum Metallteil 3 herzustellen, andererseits kann dieser überstehende Randbereich nach Beendigung der Plasmaoberflächenbehandlung durch den Schwächungsbereich 22 entfernt werden, beispielsweise durch Abscheren. Dazu kann eine Hülse über den Kolben geschoben werden, die an der Außenfläche des Kolbens anliegt und eine Trennung des Randes längs des Schwächungsbereiches 22 hervorruft.

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Bei allen Ausführungsbeispielen wird die Verbindung des Metallteiles, des Keramikteils und des Zwischenstückes durch Verlötung hervorgerufen.

Grundsätzlich wäre es bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel auch möglich, eine Verbindung durch Reibschweißen zu erzeugen, bei der also durch Relativbewegung zwischen Metallteil und Keramikteil so hohe Temperaturen im Verbindungsbereich erzeugt werden, daß ohne Verwendung eines Lotes das metallische Material des Metallteiles 3 so aufgeheizt wird, daß es flüssig wird und sich mit dem Keramikteil 2 verbindet, wobei dieses selbstverständlich mit einer Metallschicht belegt sein kann. Unter Umständen könnte auch eine solche Reibschweißverbindung unter Verwendung geeigneter Zwischenstücke erfolgen. Für Reibschweißverbinsunfwn können insbesondere Fe-Ni-, Fe-Ni-Co-Legierungen in Verbindung mit Titan, Titan-Legierungen, Zirkon oder Zirkonlegierungen verwendet werden.

Claims

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SCHUTZANSPRÜCHE

1. Kolben für eine Hochdruckpumpe mit einem zylindrischen Metallteil und einem koaxial dazu angeordneten zylindrischen Keramikteil, die beide miteinander verschweißt oder verlötet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil (3) zumindest in seinem dem Keramikteil (2) benachbarten Bereich eine zentrale Ausnehmung (9) aufweist, in die der Keramikteil (2) eintaucht und durch die er relativ zum Metallteil (3) zentriert ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlag vorgesehen ist, der die Eintauchtiefe des Keramikteils (2) in den Metallteil (3) begrenzt.

3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallteil (3) als Hülse ausgebildet ist, die an ihrem dem Keramikteil (2) abgewandten Ende ein Kupplungselement (4) trägt.

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4. Kolben nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikteil (2) eine zentrale Ausnehmung (5) aufweist, die zum Metallteil (3) hin offen ist.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) kegelstumpfförmig ausgebildet ist und sich zum Metallteil (3) hin erweitert.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag durch eine zurückgesetzte Stufe (19) am Außenmantel des Keramikteils (2) gebildet wird, an der der Metallteil (3) unmittelbar oder über eine Zwischenlage (12) anliegt.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag durch eine zurückgesetzte Stufe (8) an der Innenwand des Metallteiles (3) gebildet wird, an der der Keramikteil (2) unmittelbar oder über eine Zwischenlage (12) anliegt.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Metallteil (3) und Keramikteil (2) ein metallisches Zwischenstück (12) eingelegt ist, welches einen über den Außenmantel des Keramikteils (2) radial vorstehenden Rand (14) trägt.

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Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Metallteil (3) und Keramikteil (2) den gleichen Aussendurchmesser aufweisen und daß der überstehende Rand (14) des Zwischenstückes (12) längs des Mantels der beiden Teile (2, 3) einen Schwächungsbereich (22) aufweist.

10. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Metallteiles (3) größer ist als der des Keramikteils (2) und daß sich der Rand (14) an die überstehende Unterseite des Metallteiles (3) anlegt und nicht über dessen Außenmantel vorsteht.

11. Kolben nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Zwischenstück (12) zwischen die Innenwand des Metallteiles (3) und die Außenwand des eintauchenden Keramikteils (2) erstreckt.

12. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (12) eine Verlängerung des Metallteiles (3) bildet und die zentrale Öffnung (9) aufweist, in die der Keramikteil (2) eintaucht.

13. Kolben nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (12) den die Einschubtiefe des Keramikteils (2) begrenzenden Anschlag bildet.

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14. Kolben nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (12) an seinen Anlageflächen am Metallteil (3) und am Keramikteil (2) mit diesem verlötet ist.