EP1248906B1 - Piston arrangement for a piston engine - 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
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- piston
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- joint
- recess
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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
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.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piston assembly according to the
Preamble of
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.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 Ausnehmungsrand in a the ball joint form-fitting cramped behind position is. In this known Piston assembly is the one with a cross-sectional excess prefabricated pistons after its connection with the Sliding shoe by cold beading one of the lateral surface the piston radially protruding Ausnehmungsrandes positively connected to the ball joint of the shoe. Then the piston is hardened on its lateral surface, after which a finishing of the lateral surface, in particular by Loops, done. This known method requires it a considerable amount of work, with the Machining operation is the last operation. In addition, with a considerable expansion of the Flare to count, which is due to the fact that due to the cold deformation occurring considerable tensions the curl springs back and forth therefore the flanging the ball only with one engages relatively large movement play.
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.In this known piston arrangement, 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.
Eine Kolbenanordnung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist, ist z.B.
aus der Patentanmeldung EP 0 808 988 A bekannt.A piston assembly as defined in the preamble of
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.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.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.This object is achieved by the features of
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.By the arrangement of the ball joint on the shoe instead of on Piston is created a longer sliding surface. By the Completion of the cavity becomes one at a working volume open piston with compressed dead volume avoided.
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.In the piston arrangement according to the invention according to claim 1 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. In this embodiment, 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. As a result, can the base portion with a smaller axial length be formed. In addition to this foreshortening and Stabilization can also be material and weight save, which is due to the reduced longitudinal dimension of Hollow piston is conditional.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims described.
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.
- Fig. 1
- a piston assembly according to the invention in axial section;
- Fig. 2
- the piston assembly of Figure 1 in a modified embodiment.
- Fig. 3
- the piston assembly in a further modified embodiment;
- Fig. 4
- the piston assembly in a further modified embodiment;
- Fig. 5
- the piston assembly in a further modified embodiment.
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.The generally designated 1 piston assembly comprises a
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.The
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.The trained as an
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.Due to the closed design of the
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.Longitudinally through the
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.The
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.The
Nachfolgend werden die Verfahrensschritte eines bevorzugten
Herstellungsverfahrens der den Hohlkolben 2 und den damit
unlösbar verbundenen Gleitschuh 3 umfassenden
Kolbenanordnung 1 beschrieben.The method steps of a preferred
Manufacturing process of the
Der Gleitschuh 3 kann als endgültig fertiggestelltes Bauteil
in einer großen Stückzahl hergestellt und zur Verbindung mit
dem Hohlkolben 2 bereitgestellt werden.The sliding
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.The
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.To connect the
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.The relatively low deformation forces
sure that the
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.A significant advantage of the method described above
is that the
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.The embodiment of the invention leads to a
substantial stabilization of the
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.In the embodiment according to the invention forms the
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.A comparable supporting and stabilizing effect exercises the
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.The support and stabilization function of the
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.A preferred production measure for the
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.The Ausführungsbeispeil 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
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.The embodiments of FIGS. 3 to 5 include
Embodiments, the sliding bearing of the
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. In the embodiment of FIG. 4, wherein the same or
comparable parts also with the same reference numerals
are provided, the sliding
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.In the embodiment of FIG. 5, wherein the same or
comparable parts provided with the same reference numerals
are, is a corresponding
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.The sliding
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.As a result, both the
Claims (12)
- A piston arrangement (1) for a piston engine, having a tubular piston (2) and a slipper (3) which are pivotally connected to one another by a ball-joint connection (1A) formed by a joint ball (4) and a hemispherical joint recess (5),
a recess edge (7) of the joint recess (5) projecting beyond the equator (6) of the joint recess (5) and reaching behind the joint ball (4) in form-fitting manner,
the tubular piston (2) having a base portion (11),
a peripheral wall (15) extending in one piece from the base portion (11) in the axial direction opposite the joint recess (5), said peripheral wall surrounding the cavity (9), and
the cavity (9) of the tubular piston (2) being closed by a cover (12) which is connected to the peripheral wall (15), and the tubular piston (2) having a central shaft (13) which extends in one piece from the base portion (11) to the cover (12),
characterised in that
the joint ball (4) is formed on the slipper (3) and the joint recess (5) is formed in the tubular piston (2), the joint recess (5) and the recess edge (7) being arranged at the end of the base portion (11) and the central shaft (13) being integrally formed on the base portion (11) without cutting. - A piston arrangement according to Claim 1,
characterised in that
the peripheral wall (15) is integrally formed on the base portion (11) without cutting. - A piston arrangement according to Claim 2,
characterised in that
the central shaft (13) and/or the peripheral wall (15) is/are integrally formed on the base portion (11) preferably simultaneously by extrusion, in particular cold extrusion. - A piston arrangement according to one of the preceding claims,
characterised in that
the cover (12) is connected to the central shaft (13). - A piston arrangement according to one of the preceding claims,
characterised in that
the cover (12) is connected to the peripheral wall (15), and preferably also to the central shaft (13), by welding, in particular friction welding. - A piston arrangement according to one of the preceding claims,
characterised in that
the recess edge (7) is cold-flanged or hot-flanged. - A piston arrangement according to one of the preceding claims,
characterised in that
the tubular piston (2) and/or the slipper (3) is/are made of steel. - A piston arrangement according to Claim 7,
characterised in that
the joint recess (5) is lined with a sliding-material layer (25). - A piston arrangement according to Claim 8,
characterised in that
the sliding-material layer (25) extends into the region of the recess edge (7). - A piston arrangement according to Claim 9,
characterised in that
the recess edge (7) is formed by the sliding-material layer (25). - A piston arrangement according to one of Claims 7 to 10,
characterised in that
the bottom face (21) of the slipper (3) is constructed on the sliding material. - A piston arrangement according to Claim 11,
characterised in that
the bottom face (21) is arranged on a sliding-material layer (26).
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