EP1198325B1 - Hohlkolben für eine kolbenmaschine und verfahren zum herstellen eines hohlkolbens - Google Patents

Hohlkolben für eine kolbenmaschine und verfahren zum herstellen eines hohlkolbens Download PDF

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EP1198325B1
EP1198325B1 EP00943956A EP00943956A EP1198325B1 EP 1198325 B1 EP1198325 B1 EP 1198325B1 EP 00943956 A EP00943956 A EP 00943956A EP 00943956 A EP00943956 A EP 00943956A EP 1198325 B1 EP1198325 B1 EP 1198325B1
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EP
European Patent Office
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piston
peripheral wall
section
hollow piston
core
Prior art date
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EP00943956A
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English (en)
French (fr)
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EP1198325A1 (de
Inventor
Gerhard Beutler
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Brueninghaus Hydromatik GmbH
Original Assignee
Brueninghaus Hydromatik GmbH
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Publication date
Application filed by Brueninghaus Hydromatik GmbH filed Critical Brueninghaus Hydromatik GmbH
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Priority to EP02023312A priority patent/EP1288495B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B1/122—Details or component parts, e.g. valves, sealings or lubrication means
    • F04B1/124—Pistons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49252—Multi-element piston making
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49256—Piston making with assembly or composite article making

Definitions

  • the invention relates to a hollow piston for a Piston machine or on a method for producing a such a hollow piston according to the preamble of claims 1 or 7.
  • a hollow piston according to the preamble of claim 1 is in DE 196 20 167 C2.
  • This previously known Hollow piston exists between the peripheral wall and the central. Thorn a ring hole made by deep drilling is machined. This is a labor and predetermined time-consuming manufacturing effort, by the relatively high manufacturing costs are required. there it should be borne in mind that the production of this known Hollow piston also with a relatively high Material loss occurs due to the cutting The ring hole is worked in. Furthermore, this points Hollow piston a ball joint part in the form of a joint ball on, which from the base portion of the hollow piston in the Cavity extends in opposite axial direction.
  • the invention has for its object a hollow piston of the type specified in such a way that at Ensuring a simple or inexpensive Manufacturing, a stable design is achieved, and a to specify the corresponding manufacturing process.
  • the hollow piston according to the invention consists of two pot-shaped blank sections that are related in shape and size of their inner shape, i.e. the shape of the Cavity halves, are identical. This makes it possible at least for the design of the inner shapes of the hollow pistons to use the same tools and manufacturing measures. This makes the manufacturing process essential simplified, and it can reduce manufacturing costs be significantly reduced.
  • Biem hollow piston according to claim 3 are the peripheral wall portions and central mandrel sections without cutting formed. This will not only be the one machining deep drilling caused material loss avoided, but also when deep drilling resulting, circumferential grooves in the Inner surface of the peripheral wall sections and the outer surface the mandrel sections avoided, which makes the hollow piston a receives much greater stability because the Circumferential scores significantly reduce that Resistance of the hollow piston against bending loads.
  • the one-piece molding of the peripheral wall and the central mandrel easier to manufacture and perform faster without disposing of the Chips needed.
  • peripheral wall sections and the to form central mandrel sections by extrusion. This will not just a simple and quick transformation reached, but extrusion also result in the Longitudinal direction of the piston directed material fibers, whereby the peripheral wall sections and the mandrel sections a particularly large Resistance to bending stresses received and also are basically of great strength, which is also by extrusion due to material and Microstructure compaction is achieved.
  • peripheral wall sections and the central mandrel sections can alternatively also be formed in that these parts with the associated base part and cover part made of sintered material exist and with which between the peripheral wall portion and the Thorn portion extending ring hole are shaped and sintered.
  • This also makes it not just a simple one Achieved inexpensive manufacture, but it can too the advantage can be exploited that a sintered material suitable as a sliding material, which can be attributed to that the pores present in a sintered material Form lubricant pockets that provide good lubrication and a relatively low wear of the sliding surfaces guarantee.
  • the hollow piston generally designated 1 with a cylindrical lateral surface 2 has a base section 3 on, of which there is a joint part in one longitudinal direction 4, a joint ball 5 in the present exemplary embodiment with a ball neck 5a, and in the other longitudinal direction a hollow cylindrical peripheral wall 6 and a cylindrical extend central mandrel 7, which at its the base portion 3 opposite ends through a cover 8 with each other are connected. Between the peripheral wall 6 and the mandrel 7 there is an annular cavity 9 which is closed on all sides is.
  • the End face 11 at the front free end of the hollow piston 1 a frustoconical shape. However, it can also be one have another shape, e.g. a radial plane face his.
  • the hollow piston 1 is made of two or three parts assembled and manufactured, namely a base body part 1a according to FIG. 1a, a cover part 1b according to FIG. 1b and optionally a centering disc 1c according to FIG. 1c.
  • the Base body part 1a and the cover part 1b are for the purpose Further training as a piston blank 1e according to FIG. 1e on a Gap 12 axially placed against each other, which are in Length range of the annular cavity 9 is, where preferably a distance a from the cover 8 and also one Has distance b from the base section 3.
  • annular cavity 9 extends in each case both in the base part 1a and in the cover part 1b, whereby peripheral wall sections 6a, 6b and Mandrel sections 7a, 7b result, which face each other.
  • the centering disc 1c is between the peripheral wall 6b and the mandrel section 7b of the base body part 1a inserted (s. Fig. 1d), with its central hole 13 and her Outside diameter to the cross-sectional size of the mandrel section 7b and the inner diameter of the peripheral wall portion 6b is adjusted.
  • the diameter of the mandrel section 7b may be slightly tapered (not shown) or the Inner diameter of the peripheral wall portion 6b can be slightly expanded, so that in a small axial distance b from the free end of the base part 1a gives a contact shoulder 14 for the centering disc 1c.
  • the centering disc 1c has a through hole 13a, preferably on its outer edge, e.g. a notch on that or through a flow passage between the two the centering disc 1c separate cavity sections guaranteed.
  • the outer diameter of the main body part 1a and Cover part 1b are each with respect to the diameter d of Hollow piston 1 prefabricated with an oversize x.
  • the Base section 3 is on the base body part 1a by an axial Dimension c extended, which is dimensioned so long that the Joint ball 5 with its ball neck 5a are formed therefrom can, e.g. by cutting off.
  • the hollow piston 1 or the base body part 1a and that Cover part 1b exist in the present embodiment Made of metal, especially steel, which is suitable for extrusion suitable.
  • the base body part 1a and the cover part 1b are at Attachment to the surfaces of the division joint 12 by welding connected to each other, preferably by friction welding what by rotating one part relative to the other can be achieved, as is known per se. While of rubbing, the peripheral wall portions 6b and Mandrel section 7b in the area of the parting line 12 as strong heated so that they melt in the region of the dividing line 12 and weld them together, being inside and outside Weld beads 15 can form. During the rotation and of welding is in particular the mandrel section 7b supported radially by the centering disc 1c.
  • FIG. 2 in the same or Comparable parts with the same reference numerals shows a piston blank 1e, which differs from above-described embodiment only thereby distinguishes that the parting line 12 more to the free end the peripheral wall 6 is offset, e.g. near the Cover 8 or up to cover 8.
  • the base body part 1a and the cover part 1b are preferably one-piece moldings, d. H. your Are peripheral wall portions 6a, 6b and mandrel portions 7a, 7b each in one piece on the associated base section 3 or Molded lid 8. Preferred measures for this can e.g. Sintering and extrusion, in particular cold extrusion, his.
  • the base part 1a and that Cover part 1b shaped in that the respective sintered material in entered a corresponding cavity of a shape and is sintered.
  • Extrusion takes place in itself known extrusion dies of the appropriate shape, wherein the peripheral wall portion 6b and the Mandrel section 7b and possibly also the Circumferential wall section 6a and the mandrel section 7a each a blank, not shown, formed by extrusion become.
  • the main body part 1a and that Cover part 1b there is a sufficient one Shape accuracy for the main body part 1a and that Cover part 1b, with an additional sintered part good for a sliding function due to im Sintered pores contained in the functional mode act as lubrication pockets.
  • the extrusion gives one in the base area of the cavity 9 adjacent material area u-shaped extending fiber course 16, as shown in FIG. 4.
  • This The course of the fibers also results on the inner surface of the Cavity 9, which in Fig. 6 by longitudinal lines and the reference numeral 16a is clarified.
  • Another advantage is that both of the above Manufacturing measures no material is to be cut to the to achieve the desired shape of the annular cavity 9. The existing material is thus optimally used.
  • Machining can be carried out within the scope of the invention the surface of the piston blank 1d also in several Steps. So it is e.g. possible after Welding and before hardening the final shape of the Hollow piston 1 corresponding shape according to FIG. 1, e.g. by turning or grinding, with an oversize to produce at least on the outer surface 18 and after above-described hardness the entire lateral surface or only the hollow cylindrical surface e.g. by grinding finish, with the joint ball 5 already before Hardening can be finished.
  • FIGS. 7 to 7c differs from the above Embodiment in that the base part 1a and the cover part 1b at least in the area of it Circumferential wall sections 6b and mandrel sections 7b and Cavity sections are identical, preferably also on the outside and thus the same overall design and therefore can be identical parts. Because of the central arrangement of the parting line 12 with respect to the Annular cavity 9 the length of the peripheral wall portions 6a, 6b and mandrel sections 7b is reduced and these parts are more stable due to this reduction Centering disc 1c is omitted, as shown in FIGS. 7 and 7c.
  • this Embodiment is before or after welding the Base body part 1a with the cover part 1b the latter to cut to dimension e in Fig. 7c. hereby a certain loss of material is predetermined, however the advantage is achieved that the base body part 1a and the cover part 1b are at least the same on the cavity side and therefore there is only one device for manufacturing each these parts are needed. This also reduces the Number of different parts, which means that Manufacturing process is simplified overall and the Manufacturing costs can be reduced.
  • the lid part 1b a disc with a central hole 19, in particular one Through hole is formed, which depends on the cross-sectional size the mandrel 7 is adapted, the mandrel 7 in the hole 19 extends into and the peripheral wall 6 to disc-shaped cover part 1b extends.
  • the cover part 1b can be Soldering or welding connected to the base body part 1a e.g.
  • the parts are preferably by laser welding connected with each other. Otherwise, the hollow piston 1 in this embodiment with those already described Establish process steps.
  • the cover part 1b e.g. be integrally formed by sintering, or it can be machined, especially by turning.
  • the hollow piston 1 can with in all embodiments a sliding shoe only indicated in Fig. 1 22, which is connected to the hollow piston 1 by an articulated connection 23 is connected to form a piston assembly 24 which at a Piston machine with a swash plate to move the Hollow piston 1 an axial support and an axial Drive of the hollow piston 1 enables.
  • the slide shoe 22 instructs its side facing the hollow piston 1 hemispherical joint recess 25, whose Recess edge 26 over the equator 27 of the joint recess 25 is also extended and into a joint ball 5 backward form when ensuring a Movement play is flanged.
  • That of the joint recess 25 opposite surface of the slide shoe 22 is one preferably flat sliding surface 28, which for articulated Support on the swash plate is used.
  • the sliding shoe 22 consists of metal, e.g. a copper or brass alloy like bronze, or steel.
  • the recess edge 26 can be cold or warm. This Flaring can be done before finishing the Shell surface 18 of the hollow piston or as the last Processing step after finishing the outer surface 18 of the hollow piston 1 take place.
  • the articulated connection 23 can also be formed in that the joint recess 25 with the Recess edge 26 are arranged on the hollow piston 1 and themselves extend towards the shoe 22, and the Slide shoe 22 has the joint ball 5, which in the Joint recess 25 is pivotally mounted.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlkolben für eine Kolbenmaschine bzw. auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Hohlkolbens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 7.
Ein Hohlkolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der DE 196 20 167 C2 beschrieben. Bei diesem vorbekannten Hohlkolben besteht zwischen der Umfangswand und dem zentralen. Dorn ein Ringloch, das durch Tiefbohren spanabhebend hergestellt wird. Hierdurch ist ein arbeitsund zeitintensiver Herstellungsaufwand vorgegeben, durch den verhältnismäßig hohe Herstellungkosten bedingt sind. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Herstellung dieses bekannten Hohlkolbens auch mit einem verhältnismäßig hohen Materialverlust erfolgt, der durch das spanabhebende Einarbeiten des Ringlochs entsteht. Ferner weist dieser Hohlkolben ein Kugelgelenkteil in Form einer Gelenkkugel auf, die sich vom Basisabschnitt des Hohlkolbens in die dem Hohlraum entgegengesetzte axiale Richtung erstreckt.
In der DE 26 53 867 A1 ist ein Hohlkolben und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, der aus zwei separaten Hohlkolbenteilen gebildet ist, nämlich einem den Basisabschnitt, die Umfangswand und das Kugelgelenkteil umfassenden ersten Kolbenteil und einem den Deckel und einen sich von diesem einstückig erstreckenden zentralen Dorn enthaltenden zweiten Kolbenteil besteht. Zur Stabilisierung der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kolbenteil faßt der Deckel mit einem zapfenförmigen Ansatz am freien Rand der Umfangswand in den Hohlkolben ein und das freie Ende des Dorns faßt in eine Ausnehmung im Basisabschnitt ein, wobei die beiden Kolbenteile durch Löten miteinander verbundend sind. Bei diesen bekannten Hohlkolben sind zwar zum einen die Umfangswand des ersten Kolbenteils und zum anderen der Dorn des anderen Kolbenteils durch Fließpressen jeweils am zugehörigen Kolbenteil einstückig angeformt, jedoch sind bei dieser bekannten Ausgestaltung zwei separate Formungsvorgänge in zwei separaten Formungswerkzeugen erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlkolben der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß bei Gewährleistung einer einfachen bzw. preisgünstigen Herstellung, eine stabile Bauweise erreicht wird, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bezüglich des Hohlkolbens und durch die Merkmale des Anspruchs 7 bezüglich des Verfahrens gelöst.
Der erfindungsgemäße Hohlkolben nach Anspruch 1 besteht aus zwei topfförmigen Rohlingabschnitten, die bezüglich der Form und Größe ihrer Innenform, d.h. der Form der Hohlraumhälften, identisch sind. Hierdurch ist es möglich, zumindest zur Ausgestaltung der Innenformen der Hohlkolben gleiche Werkzeuge und Herstellungsmaßnahmen zu benutzen. Hierdurch wird das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht, und es können die Herstellungskosten beträchtlich gesenkt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, den Hohlkolben aus zwei nicht nur bezüglich ihrer Innenform sondern auch bezüglich ihrer Außenform und somit identischen Rohlingsabschnitten bzw. Vorfertigungsteilen zusammenzusetzen. Es braucht deshalb lediglich eine Art Vorfertigungsteile hergestellt zu werden, die in einander entgegengesetzter Anordnung zusammengesetzt und miteinander verbunden werden, insbesondere durch Schweißen, und somit einen Kolbenrohling bilden.
Die vorbeschriebenen Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 7 entsprechend.
Biem Hohlkolben nach Anspruch 3 sind die Umfangswandabschnitte und die zentralen Dornabschnitte spanlos angeformt. Hierdurch wird nicht nur der durch ein spanabhebendes Tiefbohren hervorgerufene Materialverlust vermieden, sondern es werden auch beim Tiefbohren entstehende, in Umfangsrichtung verlaufende Riefen in der Innenmantelfläche der Umfangswandabschnitte und der Außenmantelfläche der Dornabschnitte vermieden, wodurch der Hohlkolben eine wesentliche größere Stabilität erhält, denn die Umfangsriefen verringern ganz beträchtlich die Widerstandsfähigkeit des Hohlkolbens gegen Biegebelastungen. Auβerdem läßt sich das einstückige Anformen der Umfangswand und des zentralen Dorns herstellungstechnisch einfacher und schneller durchführen, ohne daß es einer Entsorgung der Späne bedarf.
Es ist besonders vorteilhaft, die Umfangswandabschnitte und die zentralen Dornabschnitte durch Fließpressen anzuformen. Hierdurch wird nicht nur eine einfach und schnell durchführbare Umformung erreicht, sondern beim Fließpressen ergeben sich auch in der Längsrichtung des Kolbens gerichtete Materialfasern, wodurch die Umfangswandabschnitte und die Dornabschnitte ein besonders großes Widerstandsmoment gegen Biegebelastungen erhalten und auch grundsätzlich von großer Festigkeit sind, was ebenfalls durch das Fließpressen aufgrund von Material- und Gefügeverdichtung erreicht wird.
Im Rahmen der Erfindung können die Umfangswandabschnitte und die zentralen Dornabschnitte alternativ auch dadurch gebildet sein, daß diese Teile mit dem zugehörigen Grundkörperteil und Deckelteil aus Sintermaterial bestehen und mit dem sich zwischen dem Umfangswandabschnitt und dem Dornabschnitt erstreckenden Ringloch geformt und gesintert sind. Hierdurch wird ebenfalls nicht nur eine einfache kostengünstige Herstellung erreicht, sondern es kann auch der Vorteil ausgenutzt werden, daß ein Sinterwerkstoff sich als Gleitwerkstoff eignet, was darauf zurückzuführen ist, daß die bei einem Sinterwerkstoff vorhandenen Poren Schmierstofftaschen bilden, die eine gute Schmierung und einen verhältnismäßig geringen Verschleiß der Gleitflächen gewährleisten.
In den Unteransprüchen sind Merkmale enthalten, die zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe beitragen, eine weitere Materialersparnis ermöglichen und eine geringere Baulänge des Hohlkolbens bzw. der Kolbenmaschine insgesamt ermöglichen. Letzteres wird insbesondere dadurch erreicht, daß das sich vom Basisabschnitt des Hohlkolbens erstreckende Kugelgelenkteil durch eine Kugelpfanne gebildet ist, deren Außenumfangsfläche als Außenmantelfläche und Gleitfläche des Hohlkolbens ausgenutzt werden kann, so daß die Kolbenführung sich bis über die Kugelpfanne erstrecken kann und folglich die axiale Baulänge der Kolbenmaschine verringert werden kann.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren 1-3, 5 und 8 zeigen kein Ausführungsbeispiel der Erfindung sondern dienen der allgemeiren Erlänterung. Es zeigen
Fig. 1
einen Hohlkolben für eine Kolbenmaschine im axialen Schnitt;
Fig. 1a, 1b und 1c
drei Vorfertigungsteile, die zu einem Kolbenrohling weiter verarbeitet werden;
Fig. 1d
ein durch eine Stützscheibe stabilisiertes Vorfertigungsteil;
Fig. 1e
den Kolbenrohling im axialen Schnitt;
Fig. 2
einen Kolbenrohling in abgewandelter Ausgestaltung;
Fig. 3
ein Vorfertigungsteil für den Hohlkolben im axialen Schnitt mit angedeutetem Faserverlauf nach dem Stand der Technik;
Fig. 4
ein Vorfertigungsteil für den Hohlkolben mit angedeutetem Faserverlauf im axialen Schnitt;
Fig. 5
ein Vorfertigungsteil für den Hohlkolben im axialen Schnitt nach dem Stand der Technik;
Fig. 6
ein Vorfertigungsteil für den Hohlkolben im axialen Schnitt;
Fig. 7
einen Hohlkolben gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im axialen Schnitt;
Fig. 7a, 7b
zwei einander gleiche Vorfertigungsteile für den Hohlkolben nach Fig. 7;
Fig. 7c
eine Kolbenrohling für den Hohlkolben nach Fig. 7 im axialen Schnitt;
Fig. 8
einen Hohlkolben im axialen Schnitt in weiter abgewandelter Ausgestaltung;
Fig. 8a, 8b
zwei Vorfertigungsteile für den Hohlkolben nach Fig. 8 im axialen Schnitt; und
Fig. 8c
einen Kolbenrohling im axialen Schnitt für einen Hohlkolben nach Fig. 8.
Der allgemein mit 1 bezeichnete Hohlkolben mit einer zylindrischen Mantelfläche 2 weist einen Basisabschnitt 3 auf, von dem sich in der einen Längsrichtung ein Gelenkteil 4, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Gelenkkugel 5 mit einem Kugelhals 5a, und in der anderen Längsrichtung eine hohlzylindrische Umfangswand 6 und ein zylindrischer zentraler Dorn 7 erstrecken, die an ihren dem Basisabschnitt 3 abgewandten Enden durch einen Deckel 8 miteinander verbunden sind. Zwischen der Umfangswand 6 und dem Dorn 7 befindet sich ein Ringhohlraum 9, der allseitig geschlossen ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Stirnfläche 11 am vorderen freien Ende des Hohlkolbens 1 eine kegelstumpfförmige Form auf. Sie kann jedoch auch eine andere Form aufweisen, z.B. eine radialebene Stirnfläche sein.
Der Hohlkolben 1 wird aus zwei oder drei Teilen zusammengesetzt und gefertigt, nämlich einem Basiskörperteil 1a gemäß Fig. 1a, einen Deckelteil 1b gemäß Fig. 1b und gegebenenfalls einer Zentrierscheibe 1c gemäß Fig. 1c. Das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b werden zwecks Weiterbildung zum Kolbenrohling 1e nach Fig. 1e an einer Teilungsfuge 12 axial aneinander gesetzt, die sich im Längenbereich des Ringhohlraums 9 befindet, wobei sie vorzugsweise einen Abstand a vom Deckel 8 und auch einen Abstand b vom Basisabschnitt 3 aufweist. Infolgedessen erstreckt sich jeweils ein Abschnitt des Ringhohlraumes 9 sowohl in das Grundkörperteil 1a als auch in das Deckelteil 1b, wodurch sich Umfangswandabschnitte 6a, 6b und Dornabschnitte 7a, 7b ergeben, die einander zugewandt sind. Die zentrierscheibe 1c wird zwischen die Umfangswand 6b und den Dornabschnitt 7b des Grundkörperteils 1a eingesetzt (s. Fig. 1d), wobei ihr zentrales Loch 13 und ihr Außendurchmesser an die Querschnittsgröße des Dornabschnitts 7b und den Innendurchmesser des Umfangswandabschnitts 6b angepaßt ist. Dabei kann der Durchmesser des Dornabschnitts 7b geringfügig verjüngt sein (nicht dargestellt) oder der Innendurchmesser des Umfangswandabschnitts 6b kann geringfügig erweitert sein, so daß sich in einem kleinen axialen Abstand b vom freien Ende des Grundkörperteils 1a eine Anlageschulter 14 für die Zentrierscheibe 1c ergibt. Die Zentrierscheibe 1c weist ein Durchgangsloch 13a, vorzugsweise an ihrem Außenrand, z.B. eine Kerbe auf, das bzw. die einen Strömungsdurchgang zwischen den beiden durch die Zentrierscheibe 1c getrennten Hohlraumabschnitten gewährleistet.
Der Außendurchmesser des Grundkörperteils 1a und des Deckelteils 1b sind jeweils bezüglich des Durchmessers d des Hohlkolbens 1 mit einem Übermaß x vorgefertigt. Der Basisabschnitt 3 ist am Grundkörperteil 1a um ein axiales Maß c verlängert, das so lang bemessen ist, daß die Gelenkkugel 5 mit ihrem Kugelhals 5a daraus gebildet werden kann, z.B. durch spanabhebendes Abdrehen.
Der Hohlkolben 1 bzw. das Basiskörperteil 1a und das Deckelteil 1b bestehen beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Metall, insbesondere Stahl, das sich zum Fließpressen eignet.
Das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b werden bei Anlage an den Flächen der Teilungsfuge 12 durch Schweißen miteinander verbunden, vorzugsweise durch Reibschweißen, was durch eine Rotation des einen Teils relativ zum anderen Teil erreicht werden kann, wie es an sich bekannt ist. Während des Reibens werden die Umfangswandabschnitte 6b und der Dornabschnitt 7b im Bereich der Teilüngsfuge 12 so stark erwärmt, daß sie im Bereich der Teilungsfuge 12 schmelzen und miteinander verschweißen, wobei sich innen und außen Schweißwülste 15 ausbilden können. Während der Rotation und des Verschweißens ist insbesondere der Dornabschnitt 7b durch die Zentrierscheibe 1c radial gestützt.
Durch das Zusammenschweißen des Grundkörperteils 1a und des Deckelteils 1b ergibt sich ein Kolbenrohling 1e gemäß Fig. 1e, bei dem die radialen und axialen Übermaße x durch eine strichpunktierte Darstellung der endgültigen Kolbenform verdeutlicht sind.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt einen Kolbenrohling 1e, der sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich dadurch unterscheidet, daß die Teilungsfuge 12 mehr zum freien Ende der Umfangswand 6 hin versetzt ist, z.B. in die Nähe des Deckels 8 oder bis an den Deckel 8.
Das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b sind vorzugsweise einstückige Formteile, d. h. ihre Umfangswandabschnitte 6a, 6b und Dornabschnitte 7a, 7b sind jeweils einstückig am zugehörigen Basisabschnitt 3 oder Deckel 8 angeformt. Bevorzugte Maßnahmen hierzu können z.B. Sintern und Fließpressen, insbesondere Kaltfließpressen, sein. Im ersten Fall werden das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b dadurch geformt, das jeweils Sintermaterial in einen entsprechenden Hohlraum einer Form eingegeben und gesintert wird. Ein Fließpressen erfolgt in an sich bekannten Fließpresswerkzeugen jeweils entsprechender Form, wobei jeweils der Umfangswandabschnitt 6b und der Dornabschnitt 7b und gegebenenfalls auch der Umfangswandabschnitt 6a und der Dornabschnitt 7a jeweils an einem nicht dargestellten Rohling durch Fließpressen geformt werden. In beiden Fällen ergibt sich eine hinreichende Formgenauigkeit für das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b, wobei sich zusätzlich ein gesintertes Teil gut für eine Gleitfunktion eignet aufgrund von im Sintermaterial enthaltenen Poren, die im Funktionsbetrieb als Schmiertaschen wirken.
Das Fließpressen ergibt jeweils einen in dem Grundbereich des Hohlraums 9 benachbarten Materialbereich u-förmig verlaufenden Faserverlauf 16, wie es Fig. 4 zeigt. Dieser Faserverlauf ergibt sich auch an der Innenmantelfläche des Hohlraums 9, was in Fig. 6 durch längs verlaufenden Linien und das Bezugszeichen 16a verdeutlicht ist. Demgegenüber weist ein durch Spanabheben, z.B. durch Tiefbohren, gefertigter Hohlraum 9 im Grundbereich des Hohlraums 9 einen gebrochenen bzw. axial ausmündenden Faserverlauf 16b auf, was durch die Herstellung des Ausgangsmaterials bedingt ist, z.B. durch Walzen, Kalibrieren oder Ziehen. Außerdem weist die Innenwandung des Hohlraums 9 bei einer spanabhebenden Fertigung, z.B. durch Tiefbohren, quer zur Längsrichtung verlaufende Riefen 16c auf, die - wie bereits der im Grundbereich des Hohlraums 9 unterbrochene Faserverlauf 16b - zu Bruchgefahren führen.
Ein weiterer Vorteil ist, daß bei beiden vorbeschriebenen Herstellungsmaßnahmen kein Material zu zerspanen ist, um die gewünschte Form des Ringhohlraums 9 zu erreichen. Das vorhandene Material wird somit optimal ausgenutzt.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlkolbens 1 nach Fig. 1 mit seinen verfahrensschritten beschrieben.
  • Herstellen jeweils wenigstens eines Gründkörperteils 1a und eines Deckelteils 1b durch einstückiges Formen mit einem radialen Übermaß x. In solchen Fällen, in denen sich die Teilungsfuge 12 in der Nähe der Innenseite des Deckelteils 1b befindet, ist es im Rahmen der Erfindung gegebenenfalls praktikabel, den Umfangswandabschnitt 6b und den Dornabschnitt 7b des Deckelteils 1b nicht durch einstückiges Formen sondern spanabhebend einzuarbeiten, z.B. durch Bohren oder Fräsen. Längere axiale Abschnitte der Umfangswand 6 und des Dorns 7 werden dagegen in vorteilhafter Weise einstückig geformt, insbesondere durch Sintern oder Fließpressen, vorzugsweise Kaltfließpressen. Außerdem wird wenigstens eine Zentrierscheibe 1c ausgebildet, insbesondere durch Stanzen aus einer Platine.
  • Einsetzen oder Einpressen der Zentrierscheibe 1c in das Grundkörperteil 1a.
  • Verschweißen des Grundkörperteils 1a und des Deckelteils 1b zu einem Kolbenrohling 1e gemäß Fig. 1e.
  • Einarbeiten einer koaxial durchgehenden Bohrung 21 im Kolbenrohling 1e nach oder vor dem Schweißen im Grundkörperteil 1a und Deckelteil 1b, sofern diese vorhanden ist.
  • Härten oder Nitrierhärten des Kolbenrohlings 1e wenigstens im Bereich seiner Mantelfläche 18.
  • Spanabhebendes Endbearbeiten der Oberfläche des Kolbenrohlings 1e durch z.B. Drehen und/oder Schleifen.
Im Rahmen der Erfindung kann das spanabhebende Bearbeiten der Oberfläche des Kolbenrohlings 1d auch in mehreren Schritten erfolgen. So ist es z.B. möglich, nach dem Verschweißen und vor dem Härten die der endgültigen Form des Hohlkolbens 1 entsprechende Form gemäß Fig. 1 spanabhebend, z.B. durch Drehen oder Schleifen, mit einem Übermaß wenigstens an der Mantelfläche 18 herzustellen und nach dem vorbeschriebenen Härten die gesamte Mantelfläche oder nur die hohlzylindrische Mantelfläche z.B. durch Schleifen endzubearbeiten, wobei die Gelenkkugel 5 bereits vor dem Härten endbearbeitet werden kann.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 bis 7c, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b wenigstens im Bereich ihrer Umfangswandabschnitte 6b und Dornabschnitte 7b bzw. Hohlraumabschnitte gleich ausgebildet sind, vorzugsweise auch außen und somit insgesamt gleich ausgebildet und deshalb identische Teile sein können. Da aufgrund der mittigen Anordnung der Teilungsfuge 12 bezüglich des Ringhohlraums 9 die Länge der Umfangswandabschnitte 6a, 6b und Dornabschnitte 7b verringert ist und diese Teile aufgrund dieser Verringerung stabiler sind, kann eine Zentrierscheibe 1c entfallen, wie es Fig. 7 und 7c zeigen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, wenigstens einen der Dornabschnitte 7a, 7b, vorzugsweise beide Dornabschnitte 7a, 7b, jeweils durch eine Zentrierscheibe 1c zu stützen, wie es in Fig. 7 bis 7c strichpunktiert angedeutet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vor oder nach dem Verschweißen des Grundkörperteils 1a mit dem Deckelteil 1b letzteres spanabhebend auf das Maß e in Fig. 7c zu kürzen. Hierdurch ist zwar ein gewisser Materialverlust vorgegeben, jedoch wird der Vorteil erreicht, daß das Grundkörperteil 1a und das Deckelteil 1b wenigstens hohlraumseitig gleich sind und deshalb es jeweils nur einer Vorrichtung zum Herstellen dieser Teile bedarf. Außerdem verringert sich hierdurch die Anzahl unterschiedlicher Teile, wodurch das Herstellungsverfahren insgesamt vereinfacht wird und die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 bis 8c, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, unterscheidet sich von den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, daß das Deckelteil 1b durch eine Scheibe mit einem zentralen Loch 19, insbesondere einem Durchgangsloch, gebildet ist, das an die Querschnittsgröße des Dornes 7 angepaßt ist, wobei der Dorn 7 sich in das Loch 19 hinein erstreckt und die Umfangswand 6 sich bis zum scheibenförmigen Deckelteil 1b erstreckt. Dabei kann der Dorn 7 im Falle eines Durchgangslochs 19 sich bis zur Stirnseite des Deckelteils 1b erstrecken, wie es Fig. 8c zeigt. Bei dieser Ausgestaltung kann das Deckelteil 1b durch Löten oder Schweißen mit dem Grundkörperteil 1a verbunden werden und zwar z.B. an den Anlageflächen zum einen zwischen dem Deckelteil 1b und der Umfangswand 6 und zum anderen zwischen der Wandung des Loches 19 und der Mantelfläche des Dorns 7. Vorzugsweise sind die Teile durch Laserschweißen miteinander verbunden. Im übrigen läßt sich der Hohlkolben 1 bei diesem Ausführungsbeispiel mit den bereits beschriebenen Verfahrensschritten herstellen. Dabei kann das Deckelteil 1b z.B. durch Sintern einstückig geformt sein, oder es kann spanabhebend bearbeitet sein, insbesondere durch Drehen.
Der Hohlkolben 1 kann bei allen Ausführungsbeispielen mit einem nur in Fig. 1 andeutungsweise dargestellten Gleitschuh 22, der durch eine Gelenkverbindung 23 mit dem Hohlkolben 1 verbunden ist, eine Kolbenanordnung 24 bilden, die bei einer Kolbenmaschine mit einer Schrägscheibe zum Verschieben des Hohlkolbens 1 eine axiale Abstützung und einen axialen Antrieb des Hohlkolbens 1 ermöglicht. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem das Gelenkteil 4 durch eine Gelenkkugel 5 gebildet ist, weist der Gleitschuh 22 an seiner dem Hohlkolben 1 zugewandten Seite eine halbkugelförmige Gelenkausnehmung 25 auf, deren Ausnehmungsrand 26 über den Äquator 27 der Gelenkausnehmung 25 hinaus verlängert ist und in eine die Gelenkkugel 5 hintergreifende Form bei Gewährleistung eines Bewegungsspiels gebördelt ist. Die der Gelenkausnehmung 25 gegenüberliegende Fläche des Gleitschuhs 22 ist eine vorzugsweise ebene Gleitfläche 28, die zur gelenkbeweglichen Abstützung an der Schrägscheibe dient. Der Gleitschuh 22 besteht aus Metall, z.B. einer Kupfer- oder Messinglegierung wie Bronze, oder aus Stahl. Der Ausnehmungsrand 26 kann kaltgebördelt oder warmgebördelt sein. Dieser Bördelungsvorgang kann vor dem Endbearbeiten der Mantelfläche 18 des Hohlkolbens oder als letzter Bearbeitungsschritt nach dem Endbearbeiten der Mantelfläche 18 des Hohlkolbens 1 erfolgen.
Beim Vorhandensein einer koaxial durchgehenden Bohrung 21 im Hohlkolben 1 ist auch im Gleitschuh 22 ein damit in Verbindung stehender Bohrungsabschnitt 21a vorhanden, der an der Gleitfläche 28 ausmündet. Ferner weist der Gleitschuh 22 einen Flansch 29 auf, der einen die Gelenkausnehmung 25 aufweisenden Basisabschnitt 31 radial überragt.
Im Rahmen der Erfindung kann die Gelenkverbindung 23 auch dadurch gebildet sein, daß die Gelenkausnehmung 25 mit dem Ausnehmungsrand 26 am Hohlkolben 1 angeordnet sind und sich in Richtung auf den Gleitschuh 22 erstrecken, und der Gleitschuh 22 die Gelenkkugel 5 aufweist, die in der Gelenkausnehmung 25 schwenkbar gelagert ist.

Claims (10)

  1. Hohlkolben (1) für eine Kolbenmaschine mit einem geschlossenen Ringhohlraum (9), bestehend aus einem ersten Kolbenteil (1a) mit einem Basisabschnitt (3), von dem sich in der einen axialen Richtung ein Gelenkteil (4) und in der anderen axialen Richtung jeweils einstückig ein den Ringhohlraum (9) außen begrenzender Umfangswandabschnitt (6b) und ein den Ringhohlraum (9) innen begrenzender Dornabschnitt (7b) erstrecken, und bestehend aus einem zweiten Kolbenteil (1b) mit einem Deckel (8), von dem sich ein den Ringhohlraum (9) außen begrenzender Umfangswandabschnitt (6a) und ein den Ringhohlraum (9) innen begrenzender Dornabschnitt (7a) erstrecken,
    dadurch gekennzeichnet, daß die umfangswandabschnitte (6a, 6b) und die Dornabschnitte (7a, 7b) von gleicher axialer Länge sind.
  2. Hohlkolben nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kolbenteil (1a) und das zweite Kolbenteil (1b) identische Teile sind.
  3. Hohlkolben nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswandabschnitt (6b) und der Dornabschnitt (7b), die sich vom Basisabschnitt (3) erstrecken und/oder der Umfangswandabschnitt (6a) und der Dornabschnitt (7a), die sich vom Deckel (8) erstrecken, spanlos am Basisabschnitt (3) bzw. Deckel (8) angeformt sind.
  4. Hohlkolben nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswandabschnitte (6a, 6b) und die Dornabschnitte (7a, 7b) durch Fließpressen, insbesondere Kaltfließpressen, angeformt sind.
  5. Hohlkolben nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kolbenteil (1a) mit dem Basisabschnitt (3) und dem Umfangswandabschnitt (6a, 6b) und dem Dornabschnitt (7b) und/oder das zweite Kolbenteil (1b) mit dem Umfangswandabschnitt (6a) und dem Dornabschnitt (7a) gesintert ist bzw. sind.
  6. Hohlkolben nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkteil (4) durch eine Gelenkkugel (5) oder eine halbkugelförmige Gelenkausnehmung (25) gebildet ist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Hohlkolbens (1) für eine Kolbenmaschine mit einem geschlossenen Ringhohlraum (9), mit folgenden Verfahrensschritten:
    Ausbilden eines ersten Kolbenteils (1a) mit einem diametralen Übermaß (x) und mit einem Basisabschnitt (3), von dem sich in der einen axialen Richtung ein Gelenkteil (4) oder ein Materialansatz für das Gelenkteil (4) und in der anderen axialen Richtung jeweils einstückig ein den Ringhohlraum (9) außen begrenzender Umfangswandabschnitt (6b) und ein den Ringhohlraum (9) innen begrenzender Dornabschnitt (7b) erstrecken,
    Ausbilden eines zweiten Kolbenteils (16) mit einem radialen Übermaß (x) in Form eines Deckels (8) mit einem den Ringhohlraum (9) außen begrenzenden Umfangswandabschnitt (6a) und einem den Ringhohlraum (9) innenbegrenzenden Dornabschnitt (7a)
    Verbinden der Umfangswandabschnitte (6a, 6b) und der Dornabschnitte (7a, 7b) insbesondere durch Schweißen,
    und Endbearbeiten der Mantelfläche (18) des Hohlkolbens (1) oder auch des Gelenkteils (4),
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswandabschnitte (6a, 6b) und die Dornabschnitte (7a, 7b) jeweils mit einer gleichen axialen Länge ausgebildet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß für das erste Kolbenteil (1a) und das zweite Kolbenteil (1b) gleiche Vorfertigungsteile verwendet werden.
  9. Verfahren nach Ansprüch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswandabschnitte (6a, 6b) und die Dornabschnitte (7a, 7b) durch Fließpressen, insbesondere Kaltfließpressen, angeformt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kolbenteil (1a) mit der Umfangswand (6) oder dem Umfangswandabschnitt (6b) und dem Dorn (7) oder dem Dornabschnitt (7b) und/oder das zweite Kolbenteil (1b) mit dem Umfangswandabschnitt (6a) und dem Dornabschnitt (7a) durch Sintern gebildet wird bzw. werden.
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