EP3710721A1 - Kolbenstange mit kolben, insbesondere für einen fluidtechnischen aktor und verfahren zum herstellen einer kolbenstange mit kolben - Google Patents

Kolbenstange mit kolben, insbesondere für einen fluidtechnischen aktor und verfahren zum herstellen einer kolbenstange mit kolben

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EP3710721A1
EP3710721A1 EP18803351.8A EP18803351A EP3710721A1 EP 3710721 A1 EP3710721 A1 EP 3710721A1 EP 18803351 A EP18803351 A EP 18803351A EP 3710721 A1 EP3710721 A1 EP 3710721A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
piston rod
plastic
metal layer
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18803351.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Patberg
Andreas Cott
Fabian Schongen
Andreas Walter
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.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG, ThyssenKrupp AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP3710721A1 publication Critical patent/EP3710721A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/14—Characterised by the construction of the motor unit of the straight-cylinder type
    • F15B15/1423—Component parts; Constructional details
    • F15B15/1447—Pistons; Piston to piston rod assemblies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B2215/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another
    • F15B2215/30—Constructional details thereof
    • F15B2215/305—Constructional details thereof characterised by the use of special materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/40—Multi-layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32—Details
    • F16F9/3207—Constructional features
    • F16F9/3214—Constructional features of pistons

Definitions

  • Piston rod with piston in particular for a fluidic actuator and method for producing a piston rod with piston
  • the invention relates to a piston rod with piston for a fluidic actuator and a method for producing a piston rod with piston.
  • Fluid power actuators whether operated hydraulically or pneumatically, are known from the prior art, which are composed of several components and have an integrally formed piston rod with pistons, s. for example EP 0 022 769 Bl.
  • the production of such pistons is usually carried out by a massive forming and / or a machining of a cylindrical, metallic base body (blank).
  • the introduction of functional surfaces for functional elements, in particular for guiding and / or sealing elements in the region of the lateral surface of the piston, is also complicated and expensive.
  • the piston is equipped with functional elements, such as guide ring (s), seal (s) and / or scraper.
  • Fluidic actuators are charged very dynamically over their service life, so that large moving masses are usually undesirable. Adding to disadvantage can be undesirable frictional losses and / or friction vibrations, which can occur due to the different thermal expansions of the individual components.
  • pistons or sealing disks or disks in conjunction with pistons made of a solid base material in conjunction with plastic parts from DE 2163840A, DE 2454377A, US 2310917 and GB 572055 are known.
  • the invention is based on the object to provide a weight-optimized and / or functionally integrated piston rod with piston and a method for its production. This object is achieved by a piston rod with piston having the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are listed in the dependent claims.
  • a piston rod with piston in particular for a fluidic actuator, wherein the piston is connected to the piston rod, wherein the piston is formed from a hybrid material is provided.
  • the inventors have found that by providing a piston of a hybrid material, positive influence on the moving mass can be made, particularly when using suitable materials that are made into a piston and less weight compared to metallic, solid Have piston.
  • the hybrid material also allows the integration of functions.
  • the hybrid material according to a first embodiment comprises metal and plastic.
  • the plastic can contribute to reducing the mass and / or functional integration of the piston compared to a monolithic metal piston with the same geometry.
  • plastic has a lower thermal expansion than metallic materials and has damping properties.
  • the piston has at least one metal layer and at least one plastic layer, which in particular is adhesively bonded to the metal layer.
  • the entire piston or the entire piston of a semi-finished which is a composite material of at least 2 layers.
  • this composite material has at least one metal layer and at least one plastic läge, which are connected cohesively over their entire surface.
  • the at least one metal layer and the at least one cohesively connected to the metal layer plastic could be inexpensive, for example, if the metal layer is provided band-shaped and the Kunststoffst off preferably continuously applied to the metal layer.
  • the plastic layer can be applied as a film, for example by lamination, or as a wet film, for example in the coil coating process, with subsequent drying on the metal layer.
  • this embodiment is a band-shaped metal layer which preferably has over its entire surface a film or a film of plastic, which represents the plastic layer. If necessary, prior to application, the metal side / surface to which the plastic layer is to be applied, with an adhesion promoter to increase the adhesion between metal and plastic are coated.
  • the composite material thus has at least 3 layers: a metal layer provided with a bonding agent and thereon a plastic layer, wherein the layers are bonded to one another in a material-locking manner over the entire surface.
  • Suitable metal layers are aluminum, magnesium and preferably steel materials, in particular with a thickness, for example, between 0.2 and 6.0 mm, in particular between 0.2 and 4.0 mm, 0.2 and 2.0 mm, 0 , 2 and
  • Thermoplastics for example based on polyamide (PA), polyethylene (PE) or a mixture thereof, in particular with a thickness of, for example, between 0.005 and 2.0 mm, preferably 0.005 and
  • a hybrid material or a semifinished product or composite material to be used according to the invention is a composite, that is to say a material which has at least two materials with different material properties that are materially bonded to one another over their entire surface and / or consists thereof.
  • the hybrid material therefore has different material properties than its individual components.
  • the semifinished product is deformable, in particular three-dimensionally deformable, without any delamination of the individual layers taking place.
  • the piston is cup-shaped, in particular rotationally symmetrical with an outer peripheral collar region or disk-shaped and has in the middle a central opening for receiving the piston rod.
  • the piston has a collar area which runs around the opening on the inside and which, due to a certain contact surface with the piston rod, provides improved stability and / or rigidity and, associated therewith, higher operational reliability.
  • the piston can be materially, positively and / or non-positively connected to the piston rod / be. Cohesively example, by welding, soldering or gluing, positively, for example by riveting, and / or non-positively, for example by pressing or screwing.
  • the Kunststoffst was off in the cup-shaped configuration of the piston arranged on the side facing away from the piston rod.
  • the piston is in a cylinder tube / hollow Cylinder of a fluidic actuator inserted respectively receivable, so that the outer circumferential collar region as a lateral surface of the cup-shaped piston assumes the function of the support respectively leadership within the cylinder tube / hollow cylinder.
  • the plastic layer arranged on the side facing away from the piston rod can assume a sealing and / or sliding function, so that no further additional components, such as one or more seals, are necessary.
  • the or a further plastic läge be arranged in the cup-shaped configuration of the piston on the piston rod side facing.
  • the plastic layer can be connected to a further material, in particular a further plastic material, for example to provide a stable and / or rigid piston.
  • the plastic Läge can accordingly act as a coupling layer between the other material and the metal layer.
  • the further material in particular the further plastic material is molded or molded or molded.
  • the injection molding or molding is a commercially established process that can be operated economically.
  • the further material come thermoplastics, - for example polyethylene (PE), polyamide (PA, PA6, PA66), polypropylene (PP), polystyrene (PS) -, thermoplastic elastomers or elastomers, in particular, the other materials may also be filled, preferably be reinforced with fibers and / or fillers.
  • the further material in particular the further plastic material, preferably has at least one functional surface at least in sections. This functional surface is used to hold at least one functional element, such as guide bands, seals, scrapers, etc.
  • the further material in particular the further plastic material have at least one structure increasing the stiffness.
  • the further material also (other) components, in particular components, such as sensor components can be integrated.
  • the invention relates to a method for producing a piston rod with piston, in particular for a fluidic actuator, comprising the following steps:
  • the invention provides an economical method for producing a piston rod with pistons, in particular for a fluidic actuator, in order to be able to produce weight-optimized and / or functionally integrated piston rods with pistons which have a reduced mass compared to the prior art and / or Enable integration of functions.
  • a first embodiment of the method is after molding of the semifinished product to a piston another material, in particular a further plastic material to the outwardly or inwardly facing plastic läge of the piston preferably molded or molded or molded.
  • At least one functional surface and / or at least one stiffness-increasing structure are integrated in the further material, in particular in the further plastic material.
  • the further material in particular in the further plastic material.
  • Fig. 2 is a schematic partial sectional view of a first embodiment of a
  • FIG. 6 an embodiment of a method according to the invention with reference to a schematic flow chart.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a semifinished product which has at least one metal layer (1.1) and at least one plastic layer (1.2) which is materially bonded to the metal layer (1.1).
  • the metal layer (1.1) preferably consists of a steel material, which is particularly preferably provided on one or both sides with a corrosion protection coating and in particular has a thickness between 0.2 and 1.5 mm.
  • the plastic läge (1.2) is preferably made of a thermoplastic material and in particular has a thickness between 0.01 and 1.0 mm.
  • the semifinished product is a prefabricated board, which is initially separated from a band-shaped laminate (metal layer / plastic layer) and cut to size, in particular to the required development for the production of the piston (1).
  • a piston (1) is formed, for example deep-drawn, which cup-shaped, in particular rotationally symmetrical about a symmetry axis (S) is formed and an outer circumferential collar portion (1.4), s. Fig. 2.
  • the piston (1) has in the middle a central opening (1.5) for receiving a piston rod (2), wherein an around the opening (1.5) inside circumferential collar portion (1.3) is formed.
  • the plastic layer (1.2) is arranged on the side facing away from the piston rod (2).
  • the piston (1) in particular with a piston rod (2), can be inserted into a cylinder tube / hollow cylinder (5) of a fluid-technical actuator (10), so that the outer peripheral collar region (1.4) serves as a lateral surface of the piston as a function of the support respectively guide can take over within the cylinder tube / hollow cylinder.
  • the connection between piston (1) and piston rod (2) can be material, positive and / or non-positive.
  • the piston (1) can be pressed onto the piston rod (2), optionally an additional adhesive connection can lead to an increase in the frictional connection.
  • the plastic läge or another plastic layer may be arranged on the piston rod side facing.
  • Die Plastic layer (1.2) acts as a coupling layer between the further material (3) and the metal layer (1.1).
  • the further material (3), in particular the further plastic material may be molded or molded or molded.
  • the material (3) consists for example of a thermoplastic material - for example polyethylene (PE), polyamide (PA, PAß, PA66), polypropylene (PP), polystyrene (PS) -, thermoplastic elastomer or elastomer and may also be filled in particular.
  • the material (3) encloses, at least in sections, preferably completely, the collar region (1.4) of the piston (1) which surrounds the outside and at least partially the collar region (1.3) of the piston (1) which encircles the circumference.
  • the further material (3) has at least sections functional surfaces (3.1), Fig. 4.
  • the functional surfaces (3.1) are used to hold functional elements (4), such as guide bands, seals, scrapers, etc., Fig Increasing the rigidity of the piston (1), the further material (3) have stiffness-increasing structures, such as rib-shaped structures.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a fluid power actuator (10).
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram of an exemplary embodiment for the production of a piston (1).
  • a semifinished product comprising at least one metal layer (1.1) and at least one integral with the metal layer cohesively connected Kunststoffst-off (1.2) is provided.
  • the semifinished product is formed in step B to a cup-shaped piston (1) in such a deep drawn that the metal layer (1.1) facing inward and the plastic layer (1.2) to the outside.
  • a central opening (1.5) is introduced before, during or after molding.
  • a further material (3) in particular a further plastic material, is preferably injection-molded or molded or molded onto the outwardly facing plastic layer (1.2) of the piston (1).
  • step D a piston rod (2) is received in the central opening (1.5) and the piston (1) with the piston rod and form-fitting and / or non-positively connected.
  • step F it means that the piston (1) or the piston rod (2) with piston (1) is inserted into a cylinder tube (5), the piston (1) and / or the piston rod (2) with functional elements (4) are fitted (step E).
  • the invention is not limited to the embodiments shown, but the individual features can be combined with each other.
  • the piston rod (2) according to the invention with piston (1) is individually scalable and can be used in all fluid-actuated actuators (10).
  • the connection between the piston and the piston rod does not necessarily have to take place via a central opening introduced into the piston, but the piston and piston rod can also be connected to one another in a stable and / or rigid manner, in particular in a material-positive and / or non-positive manner.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenstange (2) mit Kolben (1), insbesondere für einen fluidtechnischen Aktor (10), wobei der Kolben (1) mit der Kolbenstange (2) verbunden ist, wobei der Kolben (1) aus einem Hybridmaterial gebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Kolbenstange (2) mit einem Kolben (1).

Description

Kolbenstange mit Kolben, insbesondere für einen fluidtechnischen Aktor und Verfahren zum Herstellen einer Kolbenstange mit Kolben
Technisches Gebiet (Technical Field)
Die Erfindung betrifft eine Kolbenstange mit Kolben für einen fluidtechnischen Aktor sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Kolbenstange mit Kolben.
Technischer Hintergrund (Background Art)
Aus dem Stand der Technik sind fluidtechnische Aktoren, ob hydraulisch oder pneumatisch betrieben, bekannt, die aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sind und eine einstückig ausgebildete Kolbenstange mit Kolben aufweisen, s. zum Beispiel EP 0 022 769 Bl . Die Herstellung derartiger Kolben erfolgt in der Regel durch eine Massivumformung und/oder einer spanenden Bearbeitung aus einem zylindrischen, metallischen Grundkörper (Rohling). Aufwendig und kostenintensiv gestaltet sich auch das Einbringen von Funktionsflächen für Funktions- elemente, insbesondere für Führungs- und/oder Dichtungselemente im Bereich der Mantelfläche des Kolbens. Bestückt wird abschließend der Kolben mit Funktionselementen, wie zum Beispiel Führungsring(e), Dichtung(en) und/oder Abstreifer. Fluidtechnische Aktoren werden über ihre Betriebsdauer sehr stark dynamisch belastet, so dass große bewegte Massen in der Regel unerwünscht sind. Nachteilig hinzukommen können unerwünschte Reibverluste und/oder Reibschwingungen, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der einzelnen Komponenten auftreten können.
Insbesondere zur Reduzierung der bewegten Masse bei fluidtechnischen Aktoren schlägt die DE 10 2010 007 404 Al vor, eine gebaute Kolbenstange für Aktoren, beispielsweise für Dämpfer vorzusehen, die leichter im Vergleich zu den bekannten Kolbenstangen ausgeführt ist. In Bezug auf den Stand der Technik besteht weiterer Optimierungsbedarf.
Ferner sind Kolben bzw. Dichtungs-oder Tellerscheiben in Verbindung mit Kolben aus einem festen Basismaterial in Verbindung mit Kunststoffteilen aus der DE 2163840A, DE 2454377A, US 2310917 und GB 572055 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gewichtsoptimierte und/oder funktionsintegrierte Kolbenstange mit Kolben sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kolbenstange mit Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den nach- gelagerten Ansprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist eine Kolbenstange mit Kolben, insbesondere für einen fluidtechnischen Aktor, wobei der Kolben mit der Kolbenstange verbunden ist, wobei der Kolben aus einem Hybridmaterial gebildet ist, vorgesehen.
Die Erfinder haben festgestellt, dass durch das Vorsehen eines Kolbens aus einem Hybrid- material, positiv Einfluss auf die bewegte Masse genommen werden kann, insbesondere wenn geeignete Materialien verwendet werden, die zu einem Kolben gefertigt werden und weniger Gewicht im Vergleich zu metallisch, massiv ausgebildeten Kolben aufweisen. Das Hybridmaterial ermöglicht auch die Integration von Funktionen. Hinsichtlich einer Gewichtsreduktion bei ausreichender Steifigkeit des Kolbens umfasst das Hybridmaterial gemäß einer ersten Aus- gestaltung Metall und Kunststoff. Insbesondere der Kunststoff kann zur Reduzierung der Masse und/oder Funktionsintegration des Kolbens im Vergleich zu einem monolithischen Metallkolben bei gleicher Geometrie beitragen. Des Weiteren weist Kunststoff eine geringere Wärme- ausdehnung als metallische Materialien auf und hat dämpfende Eigenschaften.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist der Kolben zumindest eine Metalllage und zumindest eine Kunststofflage, welche insbesondere stoffschlüssig mit der Metalllage verbunden ist, auf. In einer Ausführung weist der gesamte Kolben oder besteht der gesamte Kolben aus einem Halbzeug, das ein Verbundwerkstoff aus mindestens 2 Lagen ist. Dabei weist dieser Verbundwerkstoff mindestens eine Metalllage und mindestens eine Kunststoff läge auf, die über ihre gesamte Fläche stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die zumindest eine Metalllage und die zumindest eine mit der Metalllage stoffschlüssig verbundene Kunststoff läge lassen sich kostengünstig hersteilen, beispielsweise wenn die Metalllage bandförmig bereitgestellt wird und die Kunstst off läge vorzugsweise kontinuierlich auf die Metalllage aufgebracht wird. Die Kunststofflage kann als Folie, beispielsweise durch Kaschieren, oder als Nassfilm, beispielsweise im Coil-Coating-Verfahren, mit anschließender Trocknung auf der Metalllage aufgebracht werden. Mithin handelt es sich bei dieser Ausführung um eine bandförmige Metalllage die bevorzugt über ihre gesamte Fläche eine Folie oder einen Film aus Kunststoff aufweist, die bzw. der die Kunststofflage darstellt. Bei Bedarf kann vor dem Aufbringen die Metallseite/-oberfläche, auf die/der die Kunststofflage aufgebracht werden soll, mit einem Haftvermittler zur Erhöhung der Haftung zwischen Metall und Kunststoff beschichtet werden. In dieser Alternative weist der Verbundwerkstoff somit mindestens 3 Lagen auf: eine Metalllage, versehen mit einem Haftvermittler und darauf eine Kunststofflage, wobei die Lagen über die gesamte Fläche stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Als Metalllage kommen Aluminium-, Magnesium- und vorzugsweise Stahlwerkstoffe in Betracht, insbesondere mit einer Dicke beispielsweise zwischen 0,2 und 6,0 mm, insbesondere zwischen 0,2 und 4,0 mm, 0,2 und 2,0 mm, 0,2 und
1,5 mm, bevorzugt 0,3 und 6,0 mm, 0,3 und 4,0 mm, 0,3 und 2,0 mm, 0,3 und 1,5 mm, 0,3 und 1,2 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 und 6,0 mm, 0,4 und 4,0 mm, 0,4 und 2,0 mm, 0,4 und 1,5 mm, 0,4 und 1,0 mm. Als Kunstst off läge kommen thermoplastische Kunststoffe, beispielsweise auf Basis von Polyamid (PA), Polyethylen (PE) oder deren Mischung in Betracht, insbesondere mit einer Dicke beispielsweise zwischen 0,005 und 2,0 mm, bevorzugt 0,005 und
1,5 mm, 0,005 und 1,0 mm, besonders bevorzugt 0,0025 und 2,0 mm, bevorzugt 0,0025 und
1,5 mm, 0,0025 und 1,0 mm, 0,005 und 1,0 mm, 0,0025 und 1,0 mm, 0,01 und 1,0 mm, insbesondere 0,025 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,03 und 0,2 mm.
Als Hybridmaterial bzw. als erfindungsgemäß einzusetzendes Halbzeug bzw. Verbundwerkstoff ist im Sinne der Erfindung ein Komposit zu verstehen, also ein Werkstoff der mindestens 2, über ihre gesamte Fläche stoffschlüssig miteinander verbundene Materialien mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften aufweist bzw. daraus besteht. Das Hybridmaterial hat mithin andere Werkstoffeigenschaften als seine einzelnen Komponenten. In einer Ausführung ist das Halbzeug verformbar, insbesondere dreidimensional verformbar, ohne dass eine Delamination der einzelnen Lagen stattfindet.
Gemäß einer weiteren Ausführung ist der Kolben napfförmig, insbesondere rotations- symmetrisch mit einem außen umlaufenden Kragenbereich oder scheibenförmig ausgebildet und weist in der Mitte eine zentrale Öffnung zur Aufnahme der Kolbenstange auf. Vorzugsweise weist der Kolben einen um die Öffnung innen umlaufenden Kragenbereich auf, welcher durch eine gewisse Kontaktfläche zur Kolbenstange eine verbesserte Stabilität und/oder Steifigkeit und damit verbunden eine höhere Betriebssicherheit bereitstellt. Der Kolben kann Stoff-, form- und/oder kraftschlüssig mit der Kolbenstange verbunden werden/sein. Stoffschlüssig beispiels weise durch Schweißen, Löten oder Kleben, formschlüssig beispielsweise durch Nieten, und/oder kraftschlüssig beispielsweise durch Einpressen oder Verschrauben.
Besonders bevorzugt ist die Kunstst off läge bei der napfförmigen Ausgestaltung des Kolbens auf der der Kolbenstange abgewandten Seite angeordnet. Der Kolben ist in ein Zylinderrohr/Hohl- Zylinder eines fluidtechnischen Aktors einschiebbar respektive aufnehmbar, so dass der außen umlaufende Kragenbereich als Mantelfläche des napfförmigen Kolbens die Funktion der Abstützung respektive Führung innerhalb des Zylinderrohrs/Hohlzylinders übernimmt. Je nach Ausgestaltung des fluidtechnischen Aktors kann es ausreichend sein, wenn die durch die auf der der Kolbenstange abgewandten Seite angeordnete Kunststofflage eine dichtende und/oder gleitende Funktion übernehmen kann, so dass keine weiteren Zusatzkomponenten, wie zum Beispiel eine oder mehrere Dichtungen notwendig sind. Alternativ oder zusätzlich kann die oder eine weitere Kunststoff läge bei der napfförmigen Ausgestaltung des Kolbens auf der der Kolbenstange zugewandten Seite angeordnet sein.
Insbesondere kann die Kunststofflage mit einem weiteren Material, insbesondere einem weiteren Kunststoffmaterial verbunden sein, beispielsweise um einen stabilen und/doer steifen Kolben bereitzustellen. Die Kunststoff läge kann dementsprechend als Koppelschicht zwischen dem weiteren Material und der Metalllage fungieren. Bevorzugt ist das weitere Material, insbesondere das weitere Kunststoffmaterial angespritzt oder formgepresst bzw. angeformt. Das Spritzguss- verfahren oder das Formpressen bzw. Anformen sind auf dem Markt etablierte Verfahren, die wirtschaftlich betrieben werden können. Für das weitere Material kommen thermoplastische Kunststoffe, - beispielsweise Polyethylen (PE), Polyamid (PA, PA6, PA66), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) -, thermoplastische Elastomere oder Elastomere, insbesondere können die weiteren Materialien auch gefüllt sein, vorzugsweise mit Fasern und/oder Füllstoffen verstärkt sein.
Mit einem Kostenvorteil verbunden, insbesondere durch die Reduktion von aufwändigen, mechanischen Nachbearbeitungen können durch das Spritzgussverfahren oder Anformen bzw. Formpressen gewisse Funktionen in den Prozess integriert werden. Bevorzugt weist das weitere Material, insbesondere das weitere Kunststoffmaterial zumindest abschnittsweise mindestens eine Funktionsfläche auf. Diese Funktionsfläche dient zur Aufnahme von mindestens einem Funktionselement, wie beispielsweise Führungsbänder, Dichtungen, Abstreifer usw. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Kolbens kann das weitere Material, insbesondere das weitere Kunststoffmaterial mindestens eine steifigkeitserhöhende Struktur aufweisen. Der Ausgestaltung des weiteren Materials sind im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt und es können anwendungs- bezogene Funktion kostenneutral integriert werden. Im weiteren Material können auch (weitere) Komponenten, insbesondere Bauteile, beispielsweise Sensorikbauteile integriert werden. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Kolben- stange mit Kolben, insbesondere für einen fluidtechnischen Aktuator, umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen eines Halbzeugs aufweisend mindestens eine Metalllage und mindestens eine mit der Metalllage stoffschlüssig verbundene Kunststofflage,
- Formen des Halbzeugs zu einem napfförmigen Kolben derart, dass die Metalllage nach innen und die Kunststofflage nach außen weist oder die Metalllage nach außen und die Kunststofflage nach innen weist, wobei vor, während oder nach dem Formen eine zentrale Öffnung eingebracht wird,
- Aufnahme einer Kolbenstange in der zentralen Öffnung des Kolbens und Verbinden des Kolbens mit der Kolbenstange.
Durch die Erfindung wird ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung einer Kolbenstange mit Kolben, insbesondere für einen fluidtechnischen Aktor bereitgestellt, um gewichtsoptimierte und/oder funktionsintegrierte Kolbenstangen mit Kolben hersteilen zu können, die eine im Vergleich zum Stand der Technik reduziertere, bewegte Masse aufweisen und/oder Integration von Funktionen ermöglichen.
Gemäß einer ersten Ausführung des Verfahrens wird nach dem Formen des Halbzeugs zu einem Kolben ein weiteres Material, insbesondere ein weiteres Kunststoff material an die nach außen oder innen weisende Kunststoff läge des Kolbens vorzugsweise angespritzt oder angeformt bzw. formgepresst. Die Vorteile im Zusammenhang mit dem Spritzgussverfahren und dem Form- pressen bzw. Anformen wurden bereits weiter oben bei den Ausführungen zu der Kolbenstange mit Kolben ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden mindestens eine Funktionsfläche und/oder mindestens eine steifigkeitserhöhende Struktur in dem weiteren Material, insbesondere in dem weiteren Kunststoffmaterial integriert. Der Ausgestaltung des weiteren Materials sind im Wesentlichen keine Grenzen gesetzt und es können anwendungsbezogene Funktionen kosten- neutral im Fertigungsprozess integriert werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen (Brief Description of Drawings)
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1) eine schematische Darstellung eines Halbzeugs,
Fig. 2) eine schematische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
Kolbens,
Fig. 3) eine schematische Teilschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kolbens,
Fig. 4) eine vergrößerte schematische Darstellung des in Fig. 3 eingekreisten Bereichs,
Fig. 5) ein Ausführungsbeispiel eines fluidtechnischen Aktors in einer schematischen
Teilschnittdarstellung und
Fig. 6) ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines schematischen Ablaufdiagramms.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Halbzeug, welches mindestens eine Metall- lage (1.1) und mindestens eine mit der Metalllage (1.1) stoffschlüssig verbundene Kunststoff läge (1.2) aufweist. Die Metalllage (1.1) besteht vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff, welcher besonders bevorzugt ein- oder beidseitig mit einem Korrosionsschutzüberzug versehen ist und insbesondere eine Dicke zwischen 0,2 und 1,5 mm aufweist. Die Kunststoff läge (1.2) besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff und weist insbesondere eine Dicke zwischen 0,01 und 1,0 mm auf. Das Halbzeug ist eine konfektionierte Platine, welche zunächst von einem bandförmigen Laminat (Metalllage/Kunststofflage) abgetrennt und auf Maß, insbesondere auf die erforderliche Abwicklung zur Herstellung des Kolbens (1) zugeschnitten wird.
Aus dem Halbzeug respektive der konfektionierten Platine wird ein Kolben (1) geformt, beispiels weise tiefgezogen, welcher napfförmig, insbesondere rotationssymmetrisch um eine Symmetrie- achse (S) ausgebildet ist und einen außen umlaufenden Kragenbereich (1.4) aufweist, s. Fig. 2. Der Kolben (1) weist in der Mitte eine zentrale Öffnung (1.5) zur Aufnahme einer Kolbenstange (2) auf, wobei ein um die Öffnung (1.5) innen umlaufender Kragenbereich (1.3) ausgebildet ist. Die Kunststofflage (1.2) ist auf der der Kolbenstange (2) abgewandten Seite angeordnet. Der Kolben (1), insbesondere mit Kolbenstange (2) ist in ein Zylinderrohr/Hohlzylinder (5) eines fluidtechnischen Aktors (10) einschiebbar respektive aufnehmbar, so dass der außen umlaufende Kragenbereich (1.4) als Mantelfläche des Kolbens die Funktion der Abstützung respektive Führung innerhalb des Zylinderrohrs/Hohlzylinders übernehmen kann. Die Verbindung zwischen Kolben (1) und Kolbenstange (2) kann Stoff-, form- und/oder kraftschlüssig sein. Beispielsweise kann der Kolben (1) auf die Kolbenstange (2) aufgepresst sein, gegebenenfalls kann eine zusätzliche Klebeverbindung zur Erhöhung des Kraftschlusses führen. Nicht dargestellt, kann alternativ oder zusätzlich die Kunststoff läge oder eine weitere Kunststofflage auf der der Kolbenstange zugewandten Seite angeordnet sein.
Die Kunstst off läge (1.2), die außen am Kolben (1) angeordnet ist, kann im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 mit einem weiteren Material (3), beispielsweise mit einem weiteren Kunststoff material verbunden sein, Fig. 3. Die Kunststofflage (1.2) fungiert als Koppelschicht zwischen dem weiteren Material (3) und der Metalllage (1.1). Das weitere Material (3), insbesondere das weitere Kunststoffmaterial kann angespritzt oder formgepresst bzw. angeformt sein. Das Material (3) besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff - beispielsweise Polyethylen (PE), Polyamid (PA, PAß, PA66), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) - , thermoplastischen Elastomer oder Elastomer und kann insbesondere auch gefüllt sein. Das Material (3) umschließt zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig den außen umlaufenden Kragenbereich (1.4) des Kolbens (1) und zumindest abschnittsweise den innen umlaufenden Kragenbereich (1.3) des Kolbens (1). Das weitere Material (3) weist zumindest abschnittsweise Funktionsflächen (3.1) auf, Fig. 4. Die Funktionsflächen (3.1) dienen zur Aufnahme von Funktionselementen (4), wie beispielsweise Führungsbänder, Dichtungen, Ab- streifer etc., Fig. 5. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Kolbens (1) kann das weitere Material (3) steifigkeitserhöhende Strukturen aufweisen, beispielsweise rippenförmige Strukturen.
In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines fluidtechnischen Aktors (10) gezeigt. In Figur 6 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels für die Herstellung eines Kolbens (1) dargestellt. In Schritt A wird ein Halbzeug aufweisend mindestens eine Metalllage (1.1) und mindestens eine mit der Metalllage stoffschlüssig verbundene Kunstst off läge (1.2) bereitgestellt. Das Halbzeug wird in Schritt B zu einem napfförmigen Kolben (1) derart geformt respektive tiefgezogen, dass die Metalllage (1.1) nach innen und die Kunststofflage (1.2) nach außen weist. Eine zentrale Öffnung (1.5) wird vor, während oder nach dem Formen eingebracht. Anschließend wird in Schritt C ein weiteres Material (3), insbesondere ein weiteres Kunststoffmaterial an die nach außen weisende Kunststofflage (1.2) des Kolbens (1) vorzugsweise angespritzt oder form- gepresst bzw. angeformt. Dabei können Funktionsflächen (3.1) und/oder steifigkeitserhöhende Strukturen in dem weiteren Material (3) berücksichtigt werden. In Schritt D wird eine Kolben- Stange (2) in der zentralen Öffnung (1.5) aufgenommen und der Kolben (1) mit der Kolbenstange Stoff- form- und/oder kraftschlüssig verbunden. Bevor der fluidtechnische Aktor (10) zusammen- gebaut wird (Schritt F), heißt, dass der Kolben (1) respektive die Kolbenstange (2) mit Kolben (1) in ein Zylinderrohr (5) eingeschoben wird, können der Kolben (1) und/oder die Kolbenstange (2) mit Funktionselementen (4) bestückt werden (Schritt E).
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt, sondern die einzelnen Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar. Die erfindungsgemäße Kolbenstange (2) mit Kolben (1) ist individuell skalierbar und in allen fluidtechnischen Aktoren (10) anwendbar. Die Verbindung zwischen Kolben und Kolbenstange muss nicht zwangsläufig über eine in den Kolben eingebrachte Zentralöffnung erfolgen, sondern Kolben und Kolbenstange können auch in anderer Art und Weise stabil und/oder steif, insbesondere Stoff- form- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden werden/sein.
Bezugszeichenliste
1 Kolben
1.1 Metalllage
1.2 Kunststofflage
1.3 innen umlaufender Kragenbereich
1.4 außen umlaufender Kragenbereich
1.5 zentrale Öffnung
2 Kolbenstange
3 weiteres Material
3.1 Funktionsfläche
4 Funktionselement
5 Zylinderrohr
10 fluidtechnischer Aktor
S Symmetrieachse, Rotationsachse

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenstange (2) mit Kolben (1), insbesondere für einen fluidtechnischen Aktor (10), wobei der Kolben (1) mit der Kolbenstange (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus einem Hybridmaterial gebildet ist.
2. Kolbenstange mit Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hybridmaterial Metall und Kunststoff umfasst.
3. Kolbenstange mit Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kolben (1) zumindest eine Metalllage (1.1) und zumindest eine Kunst- stofflage (1.2), welche insbesondere stoffschlüssig mit der Metalllage (1.1) verbunden ist, aufweist.
4. Kolbenstange mit Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kolben (1) napfförmig, insbesondere rotationssymmetrisch mit einem außen umlaufenden Kragenbereich (1.4) oder scheibenförmig ausgebildet ist und in der Mitte eine zentrale Öffnung (1.5) zur Aufnahme der Kolbenstange (2) aufweist.
5. Kolbenstange mit Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen um die zentrale Öffnung (1.5) innen umlaufenden Kragenbereich (1.3) aufweist.
6. Kolbenstange mit Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff läge (1.2) auf der der Kolbenstange (2) abgewandten Seite oder auf der der Kolbenstange zugewandten Seite angeordnet ist und optional mit einem weiteren Material (3), insbesondere einem weiteren Kunststoff material verbunden ist.
7. Kolbenstange mit Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Material (3), insbesondere das weitere Kunststoff material angespritzt oder formgepresst ist.
8. Kolbenstange mit Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Material (3), insbesondere das weitere Kunststoffmaterial zumindest abschnittsweise min- destens eine Funktionsfläche (3.1) aufweist.
9. Kolbenstange mit Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Material (3), insbesondere das weitere Kunststoffmaterial mindestens eine steifig keitserhöhende Struktur aufweist.
10. Kolbenstange mit Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllage eine Dicke zwischen 0,2 und 6,0 mm aufweist.
11. Kolbenstange mit Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofflage eine Dicke zwischen 0,005 und 2,0 mm aufweist.
12. Verfahren zum Herstellen einer Kolbenstange mit Kolben, insbesondere für einen fluid- technischen Aktor, umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen eines Halbzeugs aufweisend mindestens eine Metalllage (1.1) und mindestens eine mit der Metalllage (1.1) stoffschlüssig verbundene Kunststoff läge (1.2),
- Formen des Halbzeugs zu einem napfförmigen Kolben (1) derart, dass die Metalllage (1.1) nach innen und die Kunststoff läge (1.2) nach außen oder die Metalllage nach außen und die Kunststofflage nach innen weist, wobei vor, während oder nach dem Formen eine zentrale Öffnung (1.5) eingebracht wird,
- Aufnahme einer Kolbenstange (2) in der zentralen Öffnung (1.5) des Kolbens (1) und Verbinden des Kolbens (1) mit der Kolbenstange (2).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Formen ein weiteres Material (3), insbesondere ein weiteres Kunststoffmaterial an die nach außen oder innen weisende Kunststoff läge (1.2) des Kolbens (1) angespritzt oder angeformt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Funktions- fläche (3.1) und/oder mindestens eine steifigkeitserhöhende Struktur in dem weiteren Material (3), insbesondere in dem weiteren Kunststoff material integriert werden.
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