EP1248906B1 - Kolbenanordnung für eine kolbenmaschine - Google Patents

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EP1248906B1
EP1248906B1 EP00951318A EP00951318A EP1248906B1 EP 1248906 B1 EP1248906 B1 EP 1248906B1 EP 00951318 A EP00951318 A EP 00951318A EP 00951318 A EP00951318 A EP 00951318A EP 1248906 B1 EP1248906 B1 EP 1248906B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
arrangement according
joint
recess
piston arrangement
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00951318A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1248906A2 (de
Inventor
Josef Beck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brueninghaus Hydromatik GmbH
Original Assignee
Brueninghaus Hydromatik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Brueninghaus Hydromatik GmbH filed Critical Brueninghaus Hydromatik GmbH
Publication of EP1248906A2 publication Critical patent/EP1248906A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1248906B1 publication Critical patent/EP1248906B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a piston assembly according to the Preamble of claim 1.
  • a piston arrangement is described in DE 197 34 217 A1 described.
  • This known piston assembly has a Piston with a base portion of which in the an axial direction extends a hinge part and in the another axial direction a hollow cylindrical peripheral wall up extends to the front free end of the hollow piston, the encloses a cylindrical cavity in the piston. That I is in the other axial direction extending hinge part formed by a hemispherical joint recess, in the pivot ball of a shoe mounted pivotally is, with the equator of the joint recess superior Aus biologyungsrand in a the ball joint form-fitting cramped behind position is.
  • the one Guide surface forming lateral surface of the piston is up in extend the region of the recess edge, whereby the an improved guidance for the piston is achieved and on the other hand, a shorter construction for the Piston assembly and resulting also for the Achieve piston engine.
  • a piston assembly as defined in the preamble of claim 1 is e.g. from patent application EP 0 808 988 A known.
  • the invention is based on the object Piston arrangement of the type described above so to design that the length of the sliding surface is increased and a compressed dead volume is avoided.
  • the hollow piston on a ring cavity the inside through a center pin is defined, extending from the base section of the hollow piston extends to a lid, with the Peripheral wall of the piston is connected while the Ring cavity closes.
  • the forms Center pin an axial support and stabilization element, which is able to support axially on the lid and thereby the Base section significantly stabilized.
  • the base portion with a smaller axial length be formed.
  • Stabilization can also be material and weight save, which is due to the reduced longitudinal dimension of Hollow piston is conditional.
  • the generally designated 1 piston assembly comprises a Hollow piston 2, preferably made of steel, and a sliding shoe 3, preferably made of bronze or brass, by a Ball joint connection 1A with one-sided guarantee limited pivoting movements between the hollow piston 2 and the shoe 3 are pivotally connected together.
  • the Central axes of the piston 2 and the sliding block 3 are 2a and 3a.
  • the hinge 1A has a dome-shaped or spherical segment-shaped joint recess 5 with a depth a which is larger than the spherical radius r of one in it pivotally mounted joint ball 4, wherein the equator. 6 the joint recess 5 axially superior recess edge. 7 the ball joint 4 engages behind and while in this Ball ring zone convergent shape of the joint ball 4 at Maintaining a movement game at least partially can follow.
  • the axial Length b of the recess edge 7 dimensioned so long that they are in the maximum pivoting position shown in Fig. 1 itself into the corner area between the joint ball 4 and a Ball neck or a base part 8 of the shoe 3 extends.
  • the recess edge 7 towards its free end, wherein the outer circumferential surface preferably be a conical surface can.
  • the trained as an annular space cavity 9 extends from a rear base portion 11 in which the Joint recess 5 is arranged, up to a front-side end portion, which by a cover 12th is formed and preferably by a friction welding process is connected to the peripheral wall of the remaining piston part.
  • the gap existing before the friction welding process The welded parts is indicated by a dashed line clarified.
  • the annular cavity 9 surrounds a cylindrical center pin 13, which is in one piece from Base section 11 extends forward and also by Friction welding with the lid 12 or one of this receding center pin approach 14 is connected.
  • the channels 19a, 19b can in Functional operation of the hydrostatic machine Working pressure in the hydraulic medium to the recess 22nd reproduce where the hydraulic medium lubrication and the pressure is a pressure relief in a conventional manner causes.
  • the hollow piston 2 is preferably made of hardenable steel, in particular from nitriding hardenable steel.
  • nitriding hardenable steel For the purpose of Increased strength and hardness is its lateral surface preferably nitrided and hardened.
  • the present ball joint 1A is suitable for pivotable support of a piston 2 for piston engines, in particular axial piston machines, on a support surface S, where the shoe 3 rests with its foot 21.
  • An axial piston machine may be in the support surface S around the oblique surface of a so-called oblique letter act.
  • the sliding block 3 can as a final finished component produced in large numbers and for connection with the hollow piston 2 are provided.
  • the hollow piston 2 is used as a prefabricated piston blank preferably also prefabricated in large numbers and provided. In this preformation extends the recess edge 7 axially with an inner diameter d, the considering a movement play to the Diameter of the joint ball 4 or the joint recess. 5 can be adapted so that the ball joint 4 in the Joint recess 5 is inserted.
  • the order of the process steps before or after welding, namely the incorporation of the cavity. 9 the joint recess 5 and the channel 19a be arbitrary. It is advantageous the positive connection of the Joint ball 4 with the hollow piston 2 after nitriding and / or hardening and finishing the lateral surface 2c as to carry out last operation.
  • the recess edge 7 by means of a suitable heating device, e.g. in shape a suggestively illustrated heating ring 23 approximately in the width of the axial length b, heated to a temperature, in which the hardness of the material is reduced, so that too after cooling the material of the recess edge 7 with lower deformation forces can be crimped or on a temperature can be heated at which the strength of the material is reduced and the recess edge. 7 can be hot-rolled. In both cases, the Recess edge 7 with relatively small forces plastically in the illustrated in Fig. 1, the ball joint 4 positively crimping behind the form.
  • a suitable heating device e.g. in shape a suggestively illustrated heating ring 23 approximately in the width of the axial length b, heated to a temperature, in which the hardness of the material is reduced, so that too after cooling the material of the recess edge 7 with lower deformation forces can be crimped or on a temperature can be heated at which the strength of the material is reduced and the recess edge. 7 can
  • the relatively low deformation forces sure that the recess edge 7 without a mechanical Overload of e.g. made of softer material Sliding shoe 3 is deformed.
  • Heating can be by direct Heating e.g. by means of a flame or inductively by a inductive electric heater done.
  • By the Local heating of the recess edge 7 is in this Soften the hardened material and it can thus easily deformed without the rest of the area the piston 2 suffers significant hardness losses.
  • a significant advantage of the method described above is that the hollow piston 2 prior to assembly and connecting with the shoe 3 completely finished can be edited without the above Heating special measures with regard to beading would be required, such as Covering the to be deformed Ausappelungsrandes 7 during nitriding, in particular Gas nitriding, twisting already nitrided areas before the Flaring, etc.
  • Heating, Beading and cooling can be the optimal game of Ball joint 1 is very easy to adjust and also in the series production are reproduced safely.
  • the embodiment of the invention leads to a substantial stabilization of the hollow piston 2 and not only in terms of bending stresses but with respect to axial Compressive stresses, which the hollow piston 2 in particular at is subjected to a pressure stroke, in which one by the arrow 25 clarified compressive force against his work surface 26 at his free end acts from the shoe 3 in the Articulated connection 1A is included. It is the with the Arrow 27 illustrated equal and opposite directed resistance force introduced into the hollow piston 2 is against the base section 3. The base section 3 is thus the directly exposed to the compressive stresses Part of the hollow piston 2.
  • the Center pin 13 forms the Center pin 13 an axially effective support or Connecting part, which in the effectiveness of compressive forces 25, 27, the compressive stress on the base portion 3 and the Cover 12 distributed so that these parts with a lower Compressive stress can be applied. Therefore, the Base section 3 and / or the cover 12 with a smaller one axial dimension, i. be formed thinner. consequently can the hollow piston 2 or a hollow piston this second having piston engine, in particular Axial piston machine, with a correspondingly shorter Length.
  • a comparable supporting and stabilizing effect exercises the Center pin 13 even with a suction stroke of the hollow piston. 2 from, in the counter to the pressure forces 25, 27 directed Traction forces are effective at it. These traction will be through the center pin 13 both on the lid 12 and distributed on the base portion 13 and thereby in their Impact reduced.
  • the support and stabilization function of the center pin 13 is already met when the center pin 13 itself extends between the base portion 3 and the cover 12, which may be a separate component, the held between the base portion 3 and the lid 12 is.
  • the support and Stabilization function of the center pin 13 to a Compressive stress limited, since he lack of connection with the Base section 3 and the lid 12 only compressive stresses can pass on. In the presence of tensile stresses such a center pin 13 would be ineffective.
  • the Functional operation of the piston engine occurring Tensile forces are much lower during the suction stroke than at Pressure stroke, can also such a center pin 13 in the form an additional component, the functionality of the Ensure piston engine, as the risk of Overload mainly consists only at a pressure stroke.
  • a preferred production measure for the center pin 13 and the peripheral wall 15 is passing through these parts Cold or hot extrusion to produce. In such a Manufacturing process will not only provide higher strength in the Material structure of these parts achieved, but it will be through Extruding also with respect to the reason of Ring cavity 9 U-shaped fiber structures in the material created, thereby further enhancing the stability is enlarged.
  • the inventorsbeispeil of FIG. 2 in the same or comparable parts provided with the same reference numerals are different from the above Embodiment in that instead of a one-piece trained center pin 13 a two-piece educated Center pin 13 is provided by a pin or a sleeve is formed, which in axial holes 12a corresponding cross-sectional size in the base section 3 and in Lid 12 is seated and secured therein, e.g. by Welding, soldering or gluing.
  • FIGS. 3 to 5 include Embodiments, the sliding bearing of the shoe 3 improve. These measures enable, inter alia, the Body 24 of the shoe 3 from a less slippery To manufacture material, e.g. from a metal larger Strength, e.g. from steel. In contrast, it is common for the Slide shoe 3 made of copper and zinc alloys, such as e.g. To form brass or bronze. Although these materials have a good sliding property, however, is their strength relatively small and less than steel.
  • the Embodiment of Fig. 3 is the hemispherical surface the joint recess 5 through a sliding material layer 25, e.g. Brass or bronze, lined. This layer 25 extends to the equator 6 of the joint recess. 5 When the sliding material layer 25 is thicker than a film, it requires an increase in the radial dimension of the Recess 5 to the layer thickness.
  • the sliding bearing layer 25 also extends into the region of the recess edge 7 even when tensile forces on the piston assembly 1 occur a relatively low wear on the Ring-zone-shaped sliding surface of the recess edge. 7 guaranteed.
  • the recess edge 7 through the Sliding material to form and thereby is due to the lower strength of the plain bearing material in comparison to steel easier beading of the recess edge. 7 allows.
  • FIG. 5 wherein the same or comparable parts provided with the same reference numerals are, is a corresponding plain bearing layer 26 at the preferably flat foot surface 21 of the Gleitschuh stresses 24th arranged.
  • This sliding material layer 25 can over the entire surface of the foot surface 21 or only over partial surfaces, e.g. in the form of preferably concentric rings extend.
  • the Slide bearing embodiments according to Fig. 3 and / or 4 also be educated.
  • the sliding material layer 25, 26 may be a prefabricated material layer, e.g. by soldering, Welding and gluing attached to the supporting surface or it can also be a shift order, applied in a liquid or doughy state and then hardened.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Kolbenanordnung ist in der DE 197 34 217 A1 beschrieben. Diese bekannte Kolbenanordnung weist einen Kolben mit einem Basisabschnitt auf, von dem sich in der einen Axialrichtung ein Gelenkteil erstreckt und in der anderen Axialrichtung eine hohlzylindrische Umfangswand bis zum vorderen freien Ende des Hohlkolbens erstreckt, die einen zylindrischen Hohlraum im Kolben umschließt. Das sich in die andere Axialrichtung erstreckende Gelenkteil ist durch eine halbkugelförmige Gelenkausnehmung gebildet, in der die Gelenkkugel eines Gleitschuhs schwenkbar gelagert ist, wobei ein den Äquator der Gelenkausnehmung überragender Ausnehmungsrand in eine die Gelenkkugel formschlüssig hintergreifende Position gebördelt ist. Bei dieser bekannten Kolbenanordnung wird der mit einem Querschnittsübermaß vorgefertigte Kolben nach seiner Verbindung mit dem Gleitschuh durch kaltes Bördeln eines von der Mantelfläche des Kolbens radial abstehenden Ausnehmungsrandes formschlüssig mit der Gelenkkugel des Gleitschuhs verbunden. Dann wird der Kolben an seiner Mantelfläche gehärtet, wonach eine Endbearbeitung der Mantelfläche, insbesondere durch Schleifen, erfolgt. Bei diesem bekannten Verfahren bedarf es eines beträchtlichen Arbeitsaufwandes, wobei der spanabhebende Arbeitsgang der letzte Arbeitsgang ist. Außerdem ist mit einer beträchtlichen Aufweitung der Bördelung zu rechnen, was darauf zurückzuführen ist, daß aufgrund der beim kalten Verformen auftretenden beträchtlichen Spannungen die Bördelung zurückfedert und deshalb die Bördelung die Gelenkkugel nur mit einem verhältnismäßig großen Bewegungsspiel hintergreift.
Bei dieser bekannten Kolbenanordnung kann die eine Führungsfläche bildende Mantelfläche des Kolbens sich bis in den Bereich des Ausnehmungsrandes erstrecken, wodurch zum einen eine verbesserte Führung für den Kolben erreicht wird und zum anderen sich eine kürzere Bauweise für die Kolbenanordnung und daraus resultierend auch für die Kolbenmaschine erreichen läßt.
Eine Kolbenanordnung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist, ist z.B. aus der Patentanmeldung EP 0 808 988 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenanordnung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die Länge der Gleitfläche erhöht wird und ein mitkomprimiertes Totvolumen vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Anordnung der Gelenkkugel am Gleitschuh anstatt am Kolben wird eine längere Gleitfläche geschaffen. Durch den Abschluß des Hohlraums wird ein bei einem zum Arbeitsvolumen hin offenen Kolben vorhandenes mitkomprimiertes Totvolumen vermieden.
Bei der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung nach Anspruch 1 weist der Hohlkolben einen Ringhohlraum auf, der innen durch einen Mittelzapfen begrenzt ist, der sich vom Basisabschnitt des Hohlkolbens bis zu einem Deckel erstreckt, der mit der Umfangswand des Kolbens verbunden ist und dabei den Ringhohlraum schließt. Bei dieser Ausgestaltung bildet der Mittelzapfen ein axiales Stütz- und Stabilisierungselement, das sich axial am Deckel abzustützen vermag und dadurch den Basisabschnitt wesentlich stabilisiert. Infolgedessen kann der Basisabschnitt mit einer geringeren axialen Länge ausgebildet werden. Zusätzlich zu dieser Verkürzung und Stabilisierung läßt sich auch noch Material und Gewicht einsparen, was durch die verringerte Längsabmessung des Hohlkolbens bedingt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile anhand von bevorzugten Ausgestaltungen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung im axialen Schnitt;
Fig. 2
die Kolbenanordnung nach Fig. 1 in abgewandelter Ausgestaltung;
Fig. 3
die Kolbenanordnung in weiter abgewandelter Ausgestaltung;
Fig. 4
die Kolbenanordnung in weiter abgewandelter Ausgestaltung;
Fig. 5
die Kolbenanordnung in weiter abgewandelter Ausgestaltung.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Kolbenanordnung umfaßt einen Hohlkolben 2, vorzugsweise aus Stahl, und einen Gleitschuh 3, vorzugsweise aus Bronze oder Messing, die durch eine Kugelgelenkverbindung 1A bei Gewährleistung einseitiger begrenzter Schwenkbewegungen zwischen dem Hohlkolben 2 und dem Gleitschuh 3 schwenkbar miteinander verbunden sind. Die Mittelachsen des Kolbens 2 und des Gleitschuhs 3 sind mit 2a und 3a bezeichnet.
Die Gelenkverbindung 1A weist eine kalottenförmige bzw. kugelabschnittförmige Gelenkausnehmung 5 mit einer Tiefe a auf, die größer ist als der Kugelradius r einer darin schwenkbar gelagerten Gelenkkugel 4, wobei ein den Äquator 6 der Gelenkausnehmung 5 axial überragender Ausnehmungsrand 7 die Gelenkkugel 4 hintergreift und dabei der in dieser Kugelringzone konvergenten Form der Gelenkugel 4 bei Aufrechterhaltung eines Bewegungsspiels wenigstens teilweise folgen kann. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die axiale Länge b des Ausnehmungsrandes 7 so lang bemessen, daß sie in der in Fig. 1 dargestellten maximalen Schwenkstellung sich bis in den Eckenbereich zwischen der Gelenkkugel 4 und einem Kugelhals oder einem Basisteil 8 des Gleitschuhs 3 erstreckt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verjüngt sich der Ausnehmungsrand 7 zu seinem freien Ende hin, wobei die Außenmantelfläche vorzugsweise eine Kegelfläche sein kann.
Der als Ringraum ausgebildeter Hohlraum 9 erstreckt sich von einem hinteren Basisabschnitt 11, in dem die Gelenkausnehmung 5 angeordnet ist, bis zu einem stirnseitigen Endabschnitt, der durch einen Deckel 12 gebildet ist und vorzugsweise durch ein Reibschweißverfahren mit der Umfangswand des übrigen Kolbenteils verbunden ist. Die vor dem Reibschweißverfahren vorhandene Fuge zwischen den verschweißten Teilen ist durch eine gestrichelte Linie verdeutlicht. Der ringförmige Hohlraum 9 umgibt einen zylindrischen Mittelzapfen 13, der sich einteilig vom Basisabschnitt 11 nach vorne erstreckt und ebenfalls durch Reibschweißen mit dem Deckel 12 bzw. einem von diesem zurückstehenden Mittelzapfenansatz 14 verbunden ist. Dies gilt auch für die im Bereich des Hohlraums 9 hohlzylindrische Umfangswand 15 des Kolbens 2, die sich ebenfalls einteilig vom Basisabschnitt 11 nach vorne erstreckt und durch Reibschweißen mit dem Deckel 12 oder einem darum angeordneten Umfangswandansatz 16 verbunden ist. Innenseitig von der allgemein mit 17 bezeichneten Schweißstelle ist der Mittelzapfen 13 durch eine Ringscheibe 18 radial an der Umfangswand 15 abgestützt, wobei die Ringscheibe 18 an einer vorzugsweise an der Umfangswand 15 vorhandenen Innenschulterfläche 13a anliegt.
Durch die geschlossene Bauweise des Hohlkolbens 2 werden eine Querschnittsvergrößerung des Hohlkolbens bei hohem Druck und Kompressionsverluste aufgrund des verhältnismäßig großen Volumens der Kolbenkammern vermieden.
Längs durch den Hohlkolben 2 und den Gleitschuh 3 erstreckt sich jeweils ein Kanal 19a, 19b, der in eine an der ebenen Fußfläche 21 des Gleitschuhs 3 angeordnete flache Ausnehmung 22 mündet. Durch die Kanäle 19a, 19b kann sich im Funktionsbetrieb der hydrostatischen Maschine der Arbeitsdruck im hydraulischen Medium bis zur Ausnehmung 22 fortpflanzen, wo das hydraulische Medium eine Schmierung und der Druck eine Druckentlastung in an sich bekannter Weise bewirkt.
Der Hohlkolben 2 besteht vorzugsweise aus härtbarem Stahl, insbesondere aus durch Nitrierhärten härtbarem Stahl. Zwecks Vergrößerung der Festigkeit und Härte ist seine Mantelfläche vorzugsweise nitriert und gehärtet.
Die vorliegende Kugelgelenkverbindung 1A eignet sich zur schwenkbaren Abstützung eines Kolbens 2 für Kolbenmaschinen, insbesondere Axialkolbenmaschinen, an einer Stützfläche S, an der der Gleitschuh 3 mit seiner Fußfläche 21 anliegt. Bei einer Axialkolbenmaschine kann es sich bei der Stützfläche S um die schiefe Fläche einer sogenannten Schrägschreibe handeln.
Nachfolgend werden die Verfahrensschritte eines bevorzugten Herstellungsverfahrens der den Hohlkolben 2 und den damit unlösbar verbundenen Gleitschuh 3 umfassenden Kolbenanordnung 1 beschrieben.
Der Gleitschuh 3 kann als endgültig fertiggestelltes Bauteil in einer großen Stückzahl hergestellt und zur Verbindung mit dem Hohlkolben 2 bereitgestellt werden.
Der Hohlkolben 2 wird als vorgefertigter Kolbenrohling vorzugsweise ebenfalls in großer Stückzahl vorgefertigt und bereitgestellt. In dieser Vorfertigungsform erstreckt sich der Ausnehmungsrand 7 axial mit einem Innendurchmesser d, der unter Berücksichtigung eines Bewegungsspiels an den Durchmesser der Gelenkkugel 4 oder der Gelenkausnehmung 5 angepaßt sein kann, so daß die Gelenkkugel 4 in die Gelenkausnehmung 5 einführbar ist. Dabei werden der stirnseitige Deckel 12 und der übrige Kolbenteil 2b mit einem Querschnittübermaß x hergestellt, das nach dem Schweißen gegebenenfalls nach vorheriger Nitrierung gehärtet und spanabhebend endbearbeitet wird, z.B. durch Schleifen. Dabei kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte vor oder nach dem Schweißen, nämlich das Einarbeiten des Hohlraums 9 der Gelenkausnehmung 5 und des Kanals 19a beliebig sein. Es ist vorteilhaft die formschlüssige Verbindung der Gelenkkugel 4 mit dem Hohlkolben 2 nach dem Nitrieren und/oder Härten und Endbearbeiten der Mantelfläche 2c als letzten Arbeitsgang durchzuführen.
Zum Verbinden werden die Gelenkkugel 4 und die Gelenkausnehmung 5 zusammengesteckt und gegebenenfalls der Gleitschuh 3 in seiner mittleren Stellung gehalten, was durch Abstützen erfolgen kann. Dann wird der Ausnehmungsrand 7 mittels einer geeigneten Heizvorrichtung, z.B. in Form eines andeutungsweise dargestellten Heizringes 23 etwa in der Breite der axialen Länge b, auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Härte des Materials vermindert wird, so daß auch nach dem Erkalten des Materials der Ausnehmungsrand 7 mit geringeren Verformungskräften gebördelt werden kann oder auf eine Temperatur erwärmt werden kann, bei der die Festigkeit des Materials verringert ist und der Ausnehmungsrand 7 warmgebördelt werden kann. In beiden Fällen läßt sich der Ausnehmungsrand 7 mit relativ geringen Kräften plastisch in die in Fig. 1 dargestellte, die Gelenkkugel 4 formschlüssig hintergreifende Form bördeln.
Die verhältnismäßig geringen Verformungskräfte stellen sicher, daß der Ausnehmungsrand 7 ohne eine mechanische Überlastung des z.B. aus weicherem Material bestehenden Gleitschuhs 3 verformt wird. Das Erwärmen kann durch direkte Erwärmung z.B. mittels einer Flamme oder induktiv durch eine induktive elektrische Heizvorrichtung erfolgen. Durch das lokale Erwärmen des Ausnehmungsrandes 7 wird in diesem Bereich das gehärtete Material wieder weich und es kann somit leicht verformt werden, ohne daß der übrige Bereich des Kolbens 2 wesentliche Härteverluste erleidet.
Ein wesentlicher Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens besteht darin, daß der Hohlkolben 2 vor dem Zusammenfügen und Verbinden mit dem Gleitschuh 3 vollständig fertig bearbeitet werden kann, ohne daß bei der vorbeschriebenen Erwärmung besondere Maßnahmen im Hinblick auf das Bördeln erforderlich wären, wie z.B. Abdecken des zu verformenden Ausnehmungsrandes 7 beim Nitrieren, insbesondere Gasnitrieren, Abdrehen bereits nitrierter Bereiche vor dem Bördeln usw. Durch Feinabstimmung der Vorgänge Erwärmen, Bördeln und Abkühlen kann das optimale Spiel der Kugelgelenkverbindung 1 sehr einfach eingestellt und auch in der Serienfertigung sicher reproduziert werden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt zum einen zu einer wesentlichen Stabilisierung des Hohlkolbens 2 und zwar nicht nur hinsichtlich Biegespannungen sondern bezüglich axialen Druckspannungen, denen der Hohlkolben 2 insbesondere bei einem Druckhub ausgesetzt ist, bei dem eine durch den Pfeil 25 verdeutlichte Druckkraft gegen seine Arbeitsfläche 26 an seinem freien Ende wirkt, die vom Gleitschuh 3 in der Gelenkverbindung 1A aufgenommen wird. Dabei wird die mit dem Pfeil 27 verdeutlichte, gleich große und entgegengesetzte gerichtete Widerstandskraft in den Hohlkolben 2 eingeleitet wird und zwar gegen den Basisabschnitt 3. Der Basisabschnitt 3 ist somit das den Druckspannungen unmittelbar ausgesetzte Teil des Hohlkolbens 2.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bildet der Mittelzapfen 13 ein axial wirksames Stütz- bzw. Verbindungsteil, das bei der Wirksamkeit von Druckkräften 25, 27 die Druckspannung auf den Basisabschnitt 3 und den Deckel 12 verteilt, so daß diese Teile mit einer geringeren Druckspannung beaufschlagt werden. Deshalb können der Basisabschnitt 3 und/oder der Deckel 12 mit einer kleineren axialen Abmessung, d.h. dünner ausgebildet werden. Folglich läßt sich der Hohlkolben 2 oder auch eine diese Hohlkolben 2 aufweisende Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einer entsprechend kürzeren Baulänge ausführen.
Eine vergleichbare Stütz- und Stabilisierungswirkung übt der Mittelzapfen 13 auch bei einem Saughub des Hohlkolbens 2 aus, bei dem entgegen den Druckkräften 25, 27 gerichtete Zugkräfte an ihm wirksam sind. Auch diese Zugkräfte werden durch den Mittelzapfen 13 sowohl auf den Deckel 12 als auch auf den Basisabschnitt 13 verteilt und dadurch in ihrer Auswirkung verringert.
Die Stütz- und Stabilisierungsfunktion des Mittelzapfens 13 wird bereits dann erfüllt, wenn der Mittelzapfen 13 sich zwischen dem Basisabschnitt 3 und dem Deckel 12 erstreckt, wobei es sich um ein separates Bauteil handeln kann, das zwischen dem Basisabschnitt 3 und dem Deckel 12 gehalten ist. Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Stütz- und Stabilisierungsfunktion des Mittelzapfens 13 jedoch auf eine Druckspannung begrenzt, da er mangels Verbindung mit dem Basisabschnitt 3 und dem Deckel 12 lediglich Druckspannungen weiterzuleiten vermag. Beim Vorhandensein von Zugspannungen wäre ein solcher Mittelzapfen 13 unwirksam. Da jedoch im Funktionsbetrieb der Kolbenmaschine die auftretenden Zugkräfte beim Saughub wesentlich geringer sind als beim Druckhub, kann auch ein solcher Mittelzapfen 13 in Form eines zusätzlichen Bauteils die Funktionsfähigkeit der Kolbenmaschine gewährleisten, da die Gefahr einer Überlastung hauptsächlich nur bei einem Druckhub besteht.
Eine bevorzugte Herstellungsmaßnahme für den Mittelzapfen 13 und die Umfangswand 15 besteht darin, diese Teile durch Kalt- oder Warmfließpressen herzustellen. Bei einem solchen Herstellungsvorgang wird nicht nur eine höhere Festigkeit im Materialgefüge dieser Teile erzielt, sondern es werden durch das Fließpressen auch bezüglich des Grundes des Ringhohlraums 9 U-förmige Faserstrukturen im Material geschaffen, wodurch die Festigkeit der Stabilität weiter vergrößert wird.
Das Ausführungsbeispeil nach Fig. 2 bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß anstelle eines einstückig ausgebildeten Mittelzapfen 13 ein zweistückig gebildeter Mittelzapfen 13 vorgesehen ist, der durch einen Stift oder eine Hülse gebildet ist, der bzw. die in axialen Löchern 12a entsprechender Querschnittsgröße im Basisabschnitt 3 und im Deckel 12 sitzt und darin befestigt ist, z.B. durch Schweißen, Löten oder Kleben.
Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 bis 5 umfassen Ausgestaltungen, die die Gleitlagerung des Gleitschuhs 3 verbessern. Diese Maßnahmen ermöglichen unter anderem den Körper 24 des Gleitschuhs 3 aus einem weniger gleitfreudigen Material zu fertigen, z.B. aus einem Metall größerer Festigkeit, z.B. aus Stahl. Dagegen ist es üblich, den Gleitschuh 3 aus Kupfer- und Zinklegierungen, wie z.B. Messing oder Bronze zu bilden. Diese Materialien haben zwar eine gute Gleiteigenschaft, jedoch ist ihre Festigkeit verhältnismäßig gering und geringer als Stahl. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 3 ist die halbkugelförmige Fläche der Gelenkausnehmung 5 durch eine Gleitmaterialschicht 25, z.B. Messing oder Bronze, ausgekleidet. Diese Schicht 25 erstreckt sich bis zum Äquator 6 der Gelenkausnehmung 5. Wenn die Gleitmaterialschicht 25 dicker ist als ein Film, bedarf es einer Vergrößerung der radialen Abmessung der Ausnehmung 5 um die Schichtdicke.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile ebenfalls mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, erstreckt sich die Gleitlagerschicht 25 auch bis in den Bereich des Ausnehmungsrandes 7. Hierdurch ist auch beim Auftreten von Zugkräften an der Kolbenanordnung 1 ein verhältnismäßig geringer Verschleiß an der ringzonenförmigen Gleitfläche des Ausnehmungsrandes 7 gewährleistet. Bei dieser Ausgestaltung ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Ausnehmungsrand 7 durch das Gleitlagematerial zu bilden und hierdurch ist aufgrund der geringeren Festigkeit des Gleitlagermaterials im Vergleich zu Stahl ein leichteres Bördeln des Ausnehmungsrandes 7 ermöglicht.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist eine entsprechende Gleitlagerschicht 26 an der vorzugsweise ebenen Fußfläche 21 des Gleitschuhkörpers 24 angeordnet. Diese Gleitmaterialschicht 25 kann sich über die gesamte Fläche der Fußfläche 21 oder nur über Teilflächen, z.B. in Form von vorzugsweise konzentrischen Ringen erstrecken. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Gleitlagerausgestaltungen nach Fig. 3 und/oder 4 ebenfalls ausgebildet sein.
Bei der Gleitmaterialschicht 25, 26 kann es sich um eine vorgefertigte Materialschicht handeln, die z.B. durch Löten, Schweißen und Kleben an der sie tragenden Fläche befestigt ist oder es kann sich auch um einen Schichtauftrag handeln, der in einem flüssigen oder teigigen Zustand aufgetragen wird und dann erhärtet.
Infolge dessen können sowohl der Basisabschnitt 11 als auch der Endabschnitt bzw. Deckel 12 mit einer kleineren axialen Abmessung, d.h. dünner, ausgebildet werden, wodurch sowohl die axiale Länge verringert wird als auch Material und Gewicht eingespart wird.

Claims (12)

  1. Kolbenanordnung (1) für eine Kolbenmaschine, mit
    einem Hohlkolben (2) und einem Gleitschuh (3), die durch eine Kugelgelenkverbindung (1A) schwenkbar miteinander verbunden sind, die durch eine Gelenkkugel (4) und eine halbkugelförmige Gelenkausnehmung (5) gebildet ist,
    wobei ein Ausnehmungsrand (7) der Gelenkausnehmung (5) den Äquator (6) der Gelenkausnehmung (5) überragt und die Gelenkkugel (4) formschlüssig hintergreift,
    wobei der Hohlkolben (2) einen Basisabschnitt (11) aufweist,
    wobei sich vom Basisabschnitt (11) in der der Gelenkausnehmung (5) gegenüberliegenden Achsrichtung einstückig eine Umfangswand (15) erstreckt, die den Hohlraum (9) umgibt,
    und wobei der Hohlraum (9) des Hohlkolbens (2) durch einen Deckel (12) geschlossen ist, der mit der Umfangswand (15) verbunden ist, und der Hohlkolben (2) einen Mittelzapfen (13) aufweist, der sich einstückig vom Basisabschnitt (11) bis zum Deckel (12) erstreckt,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkkugel (4) am Gleitschuh (3) und die Gelenkausnehmung (5) im Hohlkolben (2) gebildet sind, wobei die Gelenkausnehmung (5) und der Ausnehmungsrand (7) am Ende des Basisabschnitts (11) angeordnet sind und wobei der Mittelzapfen (13) spanlos am Basisabschnitt (11) angeformt ist.
  2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand (15) spanlos am Basisabschnitt (11) angeformt ist.
  3. Kolbenanordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelzapfen (13) und/oder die Umfangswand (15) durch Fließpressen, insbesondere Kaltfließpressen, vorzugsweise gleichzeitig am Basisabschnitt (11) angeformt sind.
  4. Kolbenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (12) mit dem Mittelzapfen (13) verbunden ist.
  5. Kolbenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (12) durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, mit der Umfangswand (15) und vorzugsweise auch mit dem Mittelzapfen (13) verbunden ist.
  6. Kolbenanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Ausnehmungsrand (7) kaltgebördelt oder warmgebördelt ist.
  7. Kolbenanordnung, nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkolben (2) und/oder der Gleitschuh (3) aus Stahl besteht.
  8. Kolbenanordnung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkausnehmung (5) mit einer Gleitmateriälschicht (25) ausgekleidet ist.
  9. Kolbenanordnung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitmaterialschicht (25) sich bis in den Bereich des Ausnehmungsrandes (7) erstreckt.
  10. Kolbenanordnung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Ausnehmungsrand (7) durch die Gleitmaterialschicht (25) gebildet ist.
  11. Kolbenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fußfläche (21) des Gleitschuhs (3) am Gleitmaterial ausgebildet ist.
  12. Kolbenanordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Fußfläche (21) an einer Gleitmaterialschicht (26) angeordnet ist.
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