EP0309728B1 - Piston for axial-piston engines - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
- F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
- F01B3/0082—Details
- F01B3/0085—Pistons
Definitions
- the invention relates to a piston according to the preamble of patent claim 1.
- solid materials are suitable as light materials, the expansion coefficient of which is not significantly smaller than that of the piston material.
- a light material with an expansion coefficient that is equal to that of the piston material is also suitable, because the desired tension on the shoulder surfaces is also achieved in that the light material is subject to a greater temperature gradient during casting and therefore one in comparison with the contraction of the piston material greater contraction of the light material takes place.
- light materials with a larger expansion coefficient than that of the piston material are preferably to be used. Aluminum, magnesium or alloys of these metals and plastics are particularly suitable.
- the developments according to claims 2 to 6 relate to the realization of a longitudinal channel in the piston in order to create a hydrostatic bearing for the piston head.
- This channel is preferably formed by a sleeve embedded in the light material.
- the individual design features lead to simple and practicable construction methods, which also enable cost-effective production.
- the embodiment according to claim 5 enables simple fixing of the sleeve in the position to be cast.
- the training according to claim 6 enables in a simple manner the formation of a nozzle or a filter in the longitudinal channel.
- the piston generally designated 1 has a sack-shaped recess 2 which is open to the end face 3 or to the working surface of the piston 1.
- the cylindrical recess 2 in the present exemplary embodiment is filled with a light material 4, such as aluminum, magnesium or alloys of these metals or plastic, which is introduced by casting, die casting or forging.
- a light material 4 such as aluminum, magnesium or alloys of these metals or plastic, which is introduced by casting, die casting or forging.
- four axially spaced, circumferential and three projections delimiting ring grooves 5 are provided in the peripheral wall of the recess 2 in the present embodiment.
- At least the shoulder surfaces 6 of the central projection and the shoulder surfaces 6 of the two outer projections facing away from it run at right angles to the axis 7 of the piston 1 and are arranged so that the Light material poured or injected into the recess automatically tightens them when it cools down. This is clearly shown in FIG. 2, which shows the detail designated X in FIG. 1 on an enlarged scale.
- the greater temperature gradient to which the light material 4 is subject when it is cast in a piston 1 with normal temperature leads, particularly in the presence of a light material with an expansion coefficient that is greater than that of the piston material, to a tension of the facing shoulder surfaces 8 of the light material the shoulder surfaces 6 of the piston 1.
- the bracing forces are shown with arrows and denoted by S.
- the piston 1 is made of steel.
- a light material 4 which has a larger expansion coefficient than that of the piston material, both radial and axial contraction of the piston 1 and the light material 4 results in the cooling of the materials.
- the axial contraction of the light material 4 results to the desired tension S.
- the radial contraction of the light material 4 is harmless because it has no effect on the tension S.
- the fixation of the light material 4 in the piston 1 according to the invention leads to a positive connection in the axial direction and to a non-positive connection in the radial direction.
- the light material cannot loosen during the operation of the piston 1 under the loads to be expected and thus do not cause any additional noises or functional problems.
- the piston 1 has at its end 3 facing away from a spherical piston head 11 for storage in a correspondingly spherical bearing recess 12 either a so-called sliding shoe 13, which with its sliding surface 14 facing away from the piston 1 when using the piston 1 for a Axial piston machine with a plurality of pistons 1 arranged on a pitch circle for the purpose of driving the piston 1 against a swash plate, or directly in a drive disk when using the piston 1 for an inclined axis machine.
- an axial channel 15 is provided in the piston 1, which opens out on the end face 3 and on the spherical bearing surface 16 of the piston head 11, and through which an oil pressure leads to piston head bearing generally designated 17 (or to the sliding surface 14 of the sliding block 13 through a further channel 18 in the sliding block 13).
- the end of the sleeve 19 facing away from the end face 3 projects beyond the light material 4, ie this end of the sleeve 19, designated by 21, is inserted in a socket or bore 22 which extends axially from the end of the recess 2 by the dimension b Piston 1 extends into it.
- a cross-sectional constriction in the form of a nozzle 24 is provided in the sleeve 19, which is preferably formed by a pinch in the region of the nozzle 24. Because of this crushing, further shoulder surfaces 25 or a waist are formed on the sleeve 19, due to which the sleeve 19 is axially secured in the light material due to the embedding.
- the sleeve 19 can preferably have at its end in the region of the end face 3 a further cross-sectional constriction in the form of a filter gap 26, which can be formed by a pinch on both sides of the sleeve 19 and thereby obtains its gap-shaped cross section.
- the sleeve 19 projects beyond the end face 3 of the piston 1 by the dimension c, and the filter gap 26 is attached to the free, projecting end of the sleeve 19.
- Fig. 3 shows the filter gap 26 and the sleeve 19 in a side view from the right.
- the nozzle 24 is advantageous to arrange the nozzle 24 at a greater distance d from the end face 3 or from the filter gap 26, preferably near its end 21.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piston according to the preamble of patent claim 1.
Aus der DE-OS 23 63 941 ist ein derartiger Kolben mit zwei in seine Ausnehmung hineinragenden Vorsprüngen bekannt, die in Form je eines in eine umlaufende Ringnut in der Umfangswand eingesetzten Federringes in Bereich des offenen Endes der Ausnehmung angeordnet sind. Da ein Körper stets in Richtung seines Schwerpunktes schrumpft, legt sich der eingegossene Leichtmaterialkörper während des Erkaltens zwar kraftschlüssig an die dem offenen Ende der Ausnehmung zugewandten Schulterflächen der Vorsprünge an, entfernt sich jedoch gleichzeitig um das entsprechende Schrumpfmaß von den gegenüberliegenden Schulterflächen. Somit greifen die Vorsprünge mit einem den Schrumpfmaß entsprechenden Spiel in den Leichtmaterialkörper ein, so daß dieser innerhalb der Ausnehmung sowohl axial hin- und herverschoben werden als auch Drehbewegungen vollführen kann.From DE-OS 23 63 941 such a piston is known with two projections protruding into its recess, which are arranged in the form of a spring ring inserted into a circumferential annular groove in the peripheral wall in the region of the open end of the recess. Since a body always shrinks in the direction of its center of gravity, the cast-in lightweight material body non-positively lies against the shoulder surfaces of the projections facing the open end of the recess, but at the same time moves away from the opposite shoulder surfaces by the corresponding amount of shrinkage. Thus, the projections engage with a play corresponding to the shrinkage dimension in the light material body, so that it can be pushed axially back and forth within the recess and can also perform rotary movements.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß das Leichtmaterial unverrückbar in der Kolbenausnehmung befestigbar ist.It is an object of the invention to develop a piston of the type mentioned at the outset in such a way that the light material can be fixed immovably in the piston recess.
Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Anordnung der Schulterflächen im Bereich des Mittelabschnitts des eingegossenen Leichtmaterials, d.h. im Bereich axial gegenläufig gerichteter Schrumpfkräfte wird erreicht, daß das Leichtmaterial durch diese axial gegenläufig gerichteten Schrumpfkräfte an beide Schulterflächen angepreßt und auf diese Weise rüttelsicher und drehfest ohne Spiel und ohne Geräuschentwicklung in der Ausnehmung gehalten wird. Der Verlauf der Schulterflächen rechtwinklig zur Kolben achse verhindert dabei das Ablösen des Leichtmaterials von den Schulterflächen und damit eine Zerstörung der Befestigung des Leichtmaterials in der Ausnehmung unter der Wirkung der ebenfalls bei der Schrumpfung auftretenden radialen Schrumpfkräfte.This object is achieved by the characterizing features of patent claim 1. The arrangement of the shoulder surfaces in the area of the middle section of the cast-in light material, ie in the area of axially oppositely directed shrinkage forces, ensures that the light material is pressed against both shoulder surfaces by these axially oppositely directed shrinking forces and is held in the recess in a vibration-proof and rotationally fixed manner without play and without noise. The course of the shoulder surfaces perpendicular to the piston axis prevents the detachment of the light material from the shoulder surfaces and thus a destruction of the fastening of the light material in the recess under the effect of the radial shrinkage forces also occurring during the shrinkage.
Als Leichtmaterial eignen sich alle leichten und gleichzeitig festen Materialien, deren Ausdehnungskoeffizient nicht wesentlich kleiner ist als der des Kolbenmaterials. D.h., es eignet sich auch ein Leichtmaterial mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der gleich dem des Kolbenmaterials ist, denn die angestrebte Verspannung an den Schulterflächen wird auch dadurch erreicht, daß das Leichtmaterial beim Vergießen einem größeren Temperaturgefälle unterliegt und deshalb eine im Vergleich mit der Kontraktion des Kolbenmaterials größere Kontraktion des Leichtmaterials stattfindet. Vorzugsweise sind jedoch Leichtmaterialien mit einem größeren Ausdehnungskoeffizienten als der des Kolbenmaterials zu verwenden. Es eignen sich insbesondere Aluminium, Magnesium bzw. Legierungen dieser Metalle und Kunststoffe.All light and at the same time solid materials are suitable as light materials, the expansion coefficient of which is not significantly smaller than that of the piston material. This means that a light material with an expansion coefficient that is equal to that of the piston material is also suitable, because the desired tension on the shoulder surfaces is also achieved in that the light material is subject to a greater temperature gradient during casting and therefore one in comparison with the contraction of the piston material greater contraction of the light material takes place. However, light materials with a larger expansion coefficient than that of the piston material are preferably to be used. Aluminum, magnesium or alloys of these metals and plastics are particularly suitable.
Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 2 bis 6 beziehen sich auf die Verwirklichung eines Längskanals im Kolben zwecks Schaffung eines hydrostatischen Lagers für den Kolbenkopf. Vorzugsweise wird dieser Kanal durch eine in das Leichtmaterial eingebettete Hülse gebildet. Die einzelnen Ausgestaltungsmerkmale führen zu einfachen und praktikablen Bauweisen, die auch eine kostengünstige Herstellung ermöglichen. Die Ausbildung nach Anspruch 5 ermöglicht eine einfache Fixierung der Hülse in der zu vergießenden Position. Die Ausbildung nach dem Anspruch 6 ermöglicht in einfacher Weise die Ausbildung einer Düse bzw. eines Filters im Längskanal.The developments according to claims 2 to 6 relate to the realization of a longitudinal channel in the piston in order to create a hydrostatic bearing for the piston head. This channel is preferably formed by a sleeve embedded in the light material. The individual design features lead to simple and practicable construction methods, which also enable cost-effective production. The embodiment according to
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben im axialen Schnitt;
- Fig. 2
- eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
- Fig. 3
- eine Einzelheit einer erfindungsgemäßen Weiterbildung.
- Fig. 1
- a piston designed according to the invention in axial section;
- Fig. 2
- a detail of the configuration according to the invention;
- Fig. 3
- a detail of a training according to the invention.
Der allgemein mit 1 bezeichnete Kolben weist eine sackförmige Ausnehmung 2 auf, die zur Stirnseite 3 bzw. zur Arbeitsfläche des Kolbens 1 offen ist. Die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zylindrische Ausnehmung 2 ist mit einem Leichtmaterial 4, wie z.B. Aluminium, Magnesium bzw. Legierungen dieser Metalle oder Kunstoff, ausgefüllt, das durch Gießen, Druckgießen oder Schmieden eingebracht ist. Zwecks fester Verankerung des Leichtmaterials 4 in der Ausnehmung 2 sind beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vier axial voneinander beabstandete, umlaufende und drei Vorsprünge begrenzende Ringnuten 5 in der Umfangswand der Ausnehmung 2 vorgesehen. Wenigstens die Schulterflächen 6 des mittleren Vorsprungs und die diesem abgewandten Schulterflächen 6 der beiden äußeren Vorsprünge verlaufen rechtwinklig zur Achse 7 des Kolbens 1 und sind so angeordnet, daß sich das in die Ausnehmung eingegossene oder eingespritzte Leichtmaterial beim Erkalten automatisch fest an ihnen verspannt. Dies ist deutlich in Fig. 2 gezeigt, die die in Fig. 1 mit X bezeichnete Einzelheit vergrößert darstellt.The piston, generally designated 1, has a sack-shaped recess 2 which is open to the end face 3 or to the working surface of the piston 1. The cylindrical recess 2 in the present exemplary embodiment is filled with a light material 4, such as aluminum, magnesium or alloys of these metals or plastic, which is introduced by casting, die casting or forging. For the purpose of firmly anchoring the light material 4 in the recess 2, four axially spaced, circumferential and three projections delimiting
Das größere Temperaturgefälle, dem das Leichtmaterial 4 unterliegt, wenn es in einem Kolben 1 mit Normaltemperatur vergossen wird, führt insbesondere beim Vorhandensein eines Leichtmaterials mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der des Kolbenmaterials, zu einer Verspannung der einander zugewandten Schulterflächen 8 des Leichtmaterials an den Schulterflächen 6 des Kolbens 1. Die Verspannungskräfte sind mit Pfeilen dargestellt und mit S bezeichnet.The greater temperature gradient to which the light material 4 is subject when it is cast in a piston 1 with normal temperature leads, particularly in the presence of a light material with an expansion coefficient that is greater than that of the piston material, to a tension of the facing shoulder surfaces 8 of the light material the
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Kolben 1 aus Stahl. Insbesondere bei einem solchen Leichtmaterial 4, das einen größeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der des Kolbenmaterials, ergibt sich bei der Abkühlung der Materialien sowohl eine radiale als auch eine axiale Kontraktion des Kolbens 1 und des Leichtmaterials 4. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel führt die axiale Kontraktion des Leichtmaterials 4 zur angestrebten Verspannung S. Die radiale Kontraktion des Leichtmaterials 4 ist unschädlich, weil sie keine Auswirkung auf die Verspannung S ausübt.In the present embodiment, the piston 1 is made of steel. In particular in the case of such a light material 4, which has a larger expansion coefficient than that of the piston material, both radial and axial contraction of the piston 1 and the light material 4 results in the cooling of the materials. In the present exemplary embodiment, the axial contraction of the light material 4 results to the desired tension S. The radial contraction of the light material 4 is harmless because it has no effect on the tension S.
Die erfindungsgemäße Fixierung des Leichtmaterials 4 im Kolben 1 führt in axialer Richtung zu einer formschlüssigen Verbindung und in radialer Richtung zu einer kraftschlüssigen Verbindung. Das Leichtmaterial kann sich während des Betriebs des Kolbens 1 unter den zu erwartenden Belastungen nicht lockern und somit keine Zusatzgeräusche bzw. Funktionsprobleme verursachen.The fixation of the light material 4 in the piston 1 according to the invention leads to a positive connection in the axial direction and to a non-positive connection in the radial direction. The light material cannot loosen during the operation of the piston 1 under the loads to be expected and thus do not cause any additional noises or functional problems.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Abstand a zwischen den voneinander abgewandten Schulterflächen des Leichtmaterials und einander zugewandten Schulterflächen des Kolbens sowie zwischen den zylindrischen Innen- und Außenwandungen handelt es sich um ein geringes Spiel, das sich dann ergibt, wenn wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Ausdehnungskoeffizient des Leichtmaterials größer ist als der des Kolbenmaterials. Dieses Spiel ist jedoch vergrößert dargestellt und in Wirklichkeit äußerst gering.The distance a shown in FIG. 2 between the shoulder surfaces of the light material facing away from one another and the shoulder surfaces of the piston facing one another, and between the cylindrical inner and outer walls, is a slight play which arises when, as in the present exemplary embodiment, the coefficient of expansion of the light material is larger than that of the piston material. However, this game is shown enlarged and in reality extremely small.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Kolben 1 an seinem seiner Stirnseite 3 abgewandten Ende einen kugelförmigen Kolbenkopf 11 auf zur Lagerung in einer entsprechend kugelförmig geformten Lagerausnehmung 12 entweder eines sogenannten Gleitschuhs 13, der mit seiner dem Kolben 1 abgewandten Gleitfläche 14 bei Verwendung des Kolbens 1 für eine Axialkolbenmaschine mit mehreren, auf einem Teilkreis angeordneten Kolben 1 zwecks Antriebs der Kolben 1 an einer Schiefscheibe anliegt, oder unmittelbar in einer Antriebsscheibe bei Verwendung des Kolbens 1 für eine Schrägachsenmaschine.In the present embodiment, the piston 1 has at its end 3 facing away from a
Zwecks Verwirklichung eines hydrostatischen Lagers für den Kolbenkopf 11 (oder auch für den Gleitschuh 13) ist im Kolben 1 ein axialer Kanal 15 vorgesehen, der an der Stirnseite 3 und an der sphärischen Lagerfläche 16 des Kolbenkopfes 11 ausmündet, und durch den sich ein Öldruck zum allgemein mit 17 bezeichneten Kolbenkopflager (oder zur Gleitfläche 14 des Gleitschuhs 13 durch einen weiteren Kanal 18 im Gleitschuh 13) fortplanzen kann.For the purpose of realizing a hydrostatic bearing for the piston head 11 (or also for the sliding block 13), an
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kanal 15 durch eine runde Hülse 19 gebildet, die in das Leichtmaterial 4 axial eingebettet ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel überragt das der Stirnseite 3 abgewandte Ende der Hülse 19 das Leichtmaterial 4, d.h., dieses mit 21 bezeichnete Ende der Hülse 19 steckt in einer Fassung bzw. Bohrung 22, die sich vom Ende der Ausnehmung 2 um das Maß b axial in den Kolben 1 hinein erstreckt. Es handelt sich vorzugsweise um eine Stufenbohrung, d.h. der Innenquerschnitt 23 der Hülse 19 entspricht im Querschnitt dem durch den Kolbenkopf 11 geführten Abschnitt des Kanals 15. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Hülse 19 vor dem Einbringen des Leichtmaterials 4 in den Kolben 1 einzusetzen und zu fixieren, so daß es keiner weiteren Halterung der Hülse 19 beim Vergießen bedarf.In the present embodiment, the
In der Hülse 19 ist eine Querschnittsverengung in Form einer Düse 24 vorgesehen, die vorzugsweise durch eine Quetschung im Bereich der Düse 24 gebildet ist. Aufgrund dieser Quetschung werden an der Hülse 19 weitere Schulterflächen 25 bzw. eine Taille ausgebildet, aufgrund der die Hülse 19 im Leichtmaterial aufgrund der Einbettung axial gesichert ist.A cross-sectional constriction in the form of a
Die Hülse 19 kann vorzugsweise an ihrem Ende im Bereich der Stirnseite 3 eine weitere Querschnittsverengung in Form eines Filterspaltes 26 aufweisen, der durch eine beiderseitige Quetschung der Hülse 19 gebildet sein kann und hierdurch seinen spaltförmigen Querschnitt erhält. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel überragt die Hülse 19 die Stirnseite 3 des Kolbens 1 um das Maß c, und der Filterspalt 26 ist am freien, herausragenden Ende der Hülse 19 angebracht. Fig. 3 zeigt den Filterspalt 26 und die Hülse 19 in der Seitenansicht von rechts.The
Insbesondere beim Vorhandensein eines vorbeschriebenen Filterspaltes ist es vorteilhaft, die Düse 24 in einem größeren Abstand d von der Stirnseite 3 bzw. vom Filterspalt 26 anzuordnen, vorzugsweise nahe ihrem Ende 21.Especially in the presence of a prescribed one It is advantageous to arrange the
Claims (6)
- A piston (1) for axial piston machines in the form of a hollow body having an axial recess (2) filled with solidified light material (4) cast therein with an open end at the front face of the piston (1), wherein the peripheral wall of the recess (2) is formed with at least two axially spaced, annular shoulder surfaces (6) which extend at right angles to the piston axis (7) and bound an annular section of the peripheral wall, characterised in that the shoulder surfaces (6) are the side walls of at least two spaced annular grooves (5) and the middle section of the cast material viewed in the axial direction is located in the region of the annular section of the peripheral wall bound by the shoulder surfaces, wherein when cooling the cast light material (4) shrinks axially in the opposite direction on to the shoulder surfaces and thereby bears against them in a force-locked manner.
- A piston according to claim 1, characterised in that a passage (15) extends axially through the piston (1) and the light material (4) and opens at the front face (3) and at the bearing surface (16) of a piston head (11) opposite the front face (3).
- A piston according to claim 2, characterised in that the passage (15), at least in the region of the light material (4), is formed by a sleeve (19) embedded in the light material.
- A piston according to claim 3, characterised in that the end (21) of the sleeve (19) facing the piston head (11) is accommodated in a socket (22) in the piston (1).
- A piston according to claim 3 or claim 4, characterised in that on the exterior of the sleeve (19) there is at least one shoulder surface (25) which is in contact with the light material (4).
- A piston according to claim 5, characterised in that the shoulder surface (25) is formed by a narrowing in the sleeve (19).
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