WO2014053211A1 - Verfahren zum herstellen eines kolbens für eine hubkolbenarbeitsmaschine, nach dem verfahren hergestellter kolben sowie hubkolbenarbeitsmaschine mit wenigstens einem nach dem verfahren hergestellten kolben - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines kolbens für eine hubkolbenarbeitsmaschine, nach dem verfahren hergestellter kolben sowie hubkolbenarbeitsmaschine mit wenigstens einem nach dem verfahren hergestellten kolben Download PDF

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bent
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Lars SOMMER
Uwe Stabenow
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Wabco Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a central
  • Circumferential seal in the form of a circular cup sleeve, wherein the
  • Cup sleeve in its the functional contour of the installed state having form of a held in the piston and in a radial region radially to
  • Piston longitudinal axis aligned legs and bent in an axial region about 90 °, approximately parallel to the piston longitudinal axis aligned legs, for arrangement in a cylinder of a reciprocating working machine
  • a reciprocating compressor for example, a reciprocating compressor, a piston manufactured by the method and a reciprocating working machine with at least one piston produced by the method.
  • Cuff seal made of polytetrafluoroethylene (PTFE) is clamped between a piston edge and a pressure plate fastened to the piston by means of a central screw with its radially directed to the piston longitudinal axis leg, while a bent by about 90 °, aligned approximately parallel to the piston longitudinal axis, about
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Reciprocating compressor known with a cylinder, one in the cylinder by means of a
  • Collar seal sealed running piston with a working on a crankshaft drive motor whose drive shaft is received by a bore of the crankshaft, and a connecting rod with a connecting rod, at one end of a connecting rod eye for receiving a crankshaft journal of the crankshaft is formed and at the other end the integrally formed with the connecting rod piston is formed.
  • the gasket designed as a cup sleeve is fixed with its leg extending radially in the direction of the piston longitudinal axis on a circumferential shoulder of the piston by means of a press-on ring.
  • the outer contours of the pressing ring and the piston are crowned, in particular formed as a spherical section.
  • the pressing ring is required to first the relatively stiff and like a
  • the press-on ring can be fixed solely by a pressing action between the piston and the press-on ring. But it is also possible to glue the Aufpressring additionally or exclusively with the piston or to weld with the piston, in particular by ultrasonic welding, if the
  • Press ring and the piston made of plastic occur in practice often problems with the pressure between the piston and the pressing ring, for example, made of different materials, such as a metal pressing ring and a piston made of plastic, or in a pressing ring and a piston made of plastic from the Lack of pressing action can result because of the flow of the plastic.
  • An adhesive bond between the press ring and the piston makes high demands on the purity of the production process, is not very reliable and causes increased costs. This also applies to a welding of the press-on ring with the piston.
  • the invention has the object, a method for producing a piston with a peripheral seal in the form of a
  • This object is achieved in a method for producing a central piston longitudinal axis and a piston circumference having piston with a peripheral seal in the form of a circular cup seal, wherein the
  • Cup sleeve in its the functional contour of the installed state having form of a held in the piston and in a radial region radially to
  • Piston longitudinal axis aligned leg and a bent in an axial region by about 90 °, approximately parallel to the piston longitudinal axis aligned legs characterized in that the cup seal as a planar or curved preform with a radial region which forms the approximately radial, aligned to the piston longitudinal axis of the cup sleeve, on Piston is attached, and then a over the piston circumference radially projecting peripheral portion is formed in the bent by about 90 ° axial region of the cup seal to obtain the functional contour of the installed state.
  • the invention is based on the consideration that a flat or curved preform for the production of the cup seal from the seal manufacturer
  • Installation state in the cylinder can be done directly on the piston, this
  • the circumferential, radial to the piston longitudinal axis directed radial region of the flat or slightly curved preform can be permanently clamped in a first step by means of a Aufpressrings on the piston, which in a second step, a radially over the circumference of the piston projecting peripheral portion of the preform in the functional contour of the installed state remaining is deformed to form the bent about 90 °, approximately parallel to the piston longitudinal axis directed and circumferential axial region of the cup seal.
  • Casting tool is inserted with a mold cavity for forming the piston, that only the circumferential, directed radially to the piston longitudinal axis radial region protrudes into the mold cavity, that in a second step this projecting into the mold cavity radial area is surrounded by filling the mold cavity with piston material, and that after the Removal of the piston in a third step, the radially over the circumference of the piston projecting peripheral portion of the preform is permanently transformed into the functional contour of the installed state to form the bent about 90 °, aligned approximately parallel to the piston longitudinal axis, circumferential axial region of the cup.
  • the two methods mentioned can preferably be carried out in such a way that the forming of the radial over the circumference of the piston
  • Installation state of the cup seal as cold or hot forming by means of the peripheral portion of the preform comprehensive calibration tool is preferably annular, has an approximately the outer diameter of the functional contour of the installed state of the pot cuff having, about 90 ° bent axial region of the cup sleeve corresponding inner diameter and for forming the radially projecting peripheral region of Preform in the about 90 "bent axial region of the cup sleeve in the axial direction, encompassing the piston circumference, on the radially projecting
  • Peripheral region of the preform is moved relative to the piston.
  • the cylinder of the reciprocating working machine can also be set up as a calibration tool, so that the forming of the radially protruding peripheral region of the preform into the functional contour of the installation state of the cup seal is effected by inserting the piston with the preform attached thereto into the cylinder.
  • Mold cavity for forming the piston is introduced, that it is about 90 ° bent axial region is elastically deformed in a deviating from the functional contour of the installation state of the cup seal shape and only the circumferential, radial to the piston longitudinal axis directed radial portion of the cup into the mold cavity protrudes in a second step of this projecting into the mold cavity radial region of the cup by filling the mold cavity with Piston material is surrounded, and in a third step, the piston is removed from the mold, so that in the casting mold elastically deformed, bent by about 90 ° peripheral portion of the cup seal is released and elastic in the installed state
  • Piston longitudinal axis directed radial area is surrounded with piston material.
  • Casting tool springs back to its original position.
  • the axial region of the cup collar bent by about 90 ° can be elastically bent upwards by up to about 90.degree.
  • the axial region of the cup collar bent by about 90 ° can be elastically bent upwards by up to about 90.degree.
  • the molding tool Be covered In an approximately radial direction substantially flush with the radial region of the cup collar aligned radially with respect to the piston longitudinal axis and by the molding tool Be covered, so that this bent by about 90 ° peripheral portion of the cup seal when removing the piston from the casting mold is released, and bent by about 90 ° axial region of the cup elastic in the 90 "bent, the
  • Casting tool is released and elastic in the bent by about 90 °, the functional contour of the installation state having a conical gap to
  • Piston longitudinal axis directed radial region of the cup sleeve is surrounded by the piston material and the piston is thereby formed in one piece and of the same material with the connecting rod shank.
  • a piston with a peripheral seal in the form of a cup seal prepared according to one of the methods defined above.
  • Connecting rod is made.
  • a reciprocating piston with integrally formed connecting rod can be made as a light metal casting or as a plastic injection molded part.
  • the piston when the piston is made as a light metal casting, it is possible to attach a preform by means of a press ring on the piston, and then to form by means of a calibration tool, the functional contour of the installation state of the cup seal.
  • Plastic injection molding is produced in a casting tool, the radial area aligned radially to the piston longitudinal axis of both a preform and a functional contour of the installed state having cup seal in an injection mold with piston material surround and border, so that then when using a preform forming and calibrating in the order about 90 ° bent, an approximately parallel to the piston longitudinal axis aligned to the
  • Piston circumference circumferential leg resulting axial region can take place, or bent by about 90 °, approximately parallel to the piston longitudinal axis extending
  • the axial area of the cup collar springs back into the functional contour of the installed state after removal from the mold.
  • a three-part casting tool for the production of the piston as a plastic injection molded part, a three-part casting tool can be used, of which two mold halves are divided in a transverse plane extending centrally through the piston and the connecting rod shaft and the connecting rod shaft and a third molded part adjoins the mold halves in a dividing plane perpendicular to the piston longitudinal axis, wherein the dividing plane for the third molded part in the region of the radially extending or radially deformed
  • Piston longitudinal axis and the third mold part in the direction of the piston longitudinal axis, and the radially extending peripheral portions of the cup or the radially deformed peripheral portions of the preform are received in closed mold in recesses in the two mold halves and / or in the third mold part. Since the two mold halves only move transversely to the piston longitudinal axis and the third mold part in the direction of the piston longitudinal axis and thus no diagonal trains are required, the casting tool can be produced inexpensively and does not require long cycle times for moving together and moving apart of the casting tool parts.
  • the piston can also be made with a two-part casting tool, when the two mold halves are divided in a transverse plane passing through the piston and the connecting rod shaft, wherein the bent by about 90 "
  • the cup seal is included with closed casting tool in recesses in the two mold halves, which are dimensioned so that they are bent by about 90 ° axial region of the pot cuff in the direction of
  • Cup seal breakthroughs and / or dovetailed cutouts which are filled in the manufacture of the piston by the piston material.
  • To seal the cup seal against the piston of the radial portion of the preform and / or the radial, directed to the piston longitudinal axis of the cup sleeve can be provided with one or more circumferential grooves and / or projections which are compressed when mounting the Aufpressrings or when casting with piston material in penetrate the piston material or be filled by the piston material.
  • a piston working machine for example a compressor, can be produced inexpensively if at least one piston is arranged therein, which is produced in accordance with one of the features defined above.
  • FIG. 1 is a partial sectional view of a piston working machine with electric drive
  • FIG. 2 is a molded plastic injection-piston connecting rod unit prior to installation in the Hubkolbenarbeitsmaschine shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 is a detail sectional view of a casting tool for injection molding a piston-conrod unit with cast preform
  • 5 is a plan view of a preform
  • 6 is a sectional view along the line AA of Figure 5 of the preform
  • FIG. 7 is a partial sectional view of a piston-conrod unit with cast preform prior to insertion into a heated calibration tool
  • FIG. 8 is a partial sectional view of the piston-connecting rod unit of FIG. 7 after insertion into the calibration tool and the forming of the preform
  • FIG. 9 is a partial sectional view similar to Figure 8 of a piston-conrod unit after insertion into a cylinder of Hubkolbenarbeitsmaschine and the forming of the preform in a cup cuff,
  • FIG. 10 shows an embodiment of a piston-conrod unit with a held by means of a Aufpressrings cup sleeve from a flat preform
  • Fig. 1 1 is a partial sectional view of a piston-connecting rod unit with an attached by means of a Aufpressrings on the piston pot sleeve, starting from a flat-curved preform.
  • a reciprocating working machine 1 has at least one cylinder 2, which is manufactured in one piece with a cylinder head, in which only one pressure side 7 of the compressor is partially shown. A suction side is not shown.
  • Pressure side 7 and the suction side, not shown, are common, well-known components of a compressor and, since they are not part of the invention, are not described in detail.
  • the cylinder 2 is connected to a crankcase 2a, in which a crankshaft 3 is supported by means of a crankshaft bearing 4.
  • the crankshaft 3 is provided with a crank pin 5 and coupled with an electric drive motor 6.
  • In the cylinder 2 is designed as a pendulum piston 8 by means of a piston
  • Peripheral seal in the form of a cup sleeve 16 sealed in one
  • the piston 8 is made in one piece with a connecting rod, consisting of a connecting rod shaft 10 and a connecting rod eye 1 1, injection molded from plastic.
  • the connecting rod eye 1 1 has a bearing bore 12 for receiving a Pleuellagers in the form of a rolling bearing 13.
  • the rolling bearing 13 is connected to a
  • Hole 14 is fixed at its inner ring on the crank pin 5 by means of a screw 15.
  • the piston 8 Since the piston 8 is made in one piece with the connecting rod shaft 10, it performs during the rotation of the crankshaft 3 during its caused by the crank pin 5 up and down movement in the cylinder 2 from a pendulum movement and has for this reason a piston circumference 9 in the form of a spherical section , Such with the
  • Connecting rod shaft 10 produced in one piece pendulum piston 8 are prior art and described for example in DE 197 27 186 B4 and in EP 1 801 416 B1.
  • FIG. 2 shows one with a
  • the outer ring of the connecting rod bearing 13 may as well as the
  • Cup sleeve 16 may be surrounded by the plastic.
  • the cup sleeve 16 has a radially directed in the direction of a piston longitudinal axis 19 radial portion 17 which is poured into the piston 8, and a protruding outside the piston circumference 9, bent by about 90 "
  • One way to produce the piston 8 with the connecting rod shaft 10 and the connecting rod eye 1 1 in a casting tool 25 is shown in Fig. 3.
  • a casting tool 25 which is shown only partially in Fig. 3, consists of two mold halves 37, the dividing plane, not shown, through the
  • Piston longitudinal axis 19 extends. Of the two mold halves only one mold half 37 is shown, symmetrically to a second, not shown mold half is arranged. These two mold halves 37 are used to open and close the
  • Casting tool 25 perpendicular to the piston longitudinal axis 19 to each other and
  • a third mold part 36 is arranged with respect to the mold halves 37 so that it is in the direction of the piston longitudinal axis 19 against the
  • the two Mold halves 37 and the third mold part 36 form in the illustrated closed position a mold cavity 26, in which a plastic for molding the piston 8, the connecting rod shaft 10 and the connecting rod eye 1 1 is injected.
  • the mold halves 37 have a recess 37a which is intended to receive a flat or peripheral area 18a of a preform 21.
  • This recess 37a can also be arranged in the third mold part 36, or it can extend into both the mold halves 37 and the third mold part 36.
  • a radially extending in the direction of the piston longitudinal axis 19 in the mold cavity 26 projecting radial portion 17, 17a of the preform 21 is in the filling of the
  • the casting tool 25 also consists of two mold halves 37, the dividing plane through the piston longitudinal axis 19, and from a third mold part 36, the dividing plane 38 with respect to the mold halves 37 perpendicular to the piston longitudinal axis 19 passes.
  • the functional contour of the installed state having cup sleeve 16 is inserted with its bent by about 90 ° axial portion 18 in a recess 37b of the mold halves 37, wherein the recess 37b is shaped and dimensioned so that the bent by about 90 ° axial region 18 of
  • Cup sleeve 16 in the direction of the piston longitudinal axis 19 radially overbends and 37 is included in the closing of the mold halves thereof.
  • the projecting into the mold cavity 26 radial portion 17 of the cup 16 is by the in the
  • Mold cavity 26 injected plastic material surrounded and held by this form-fitting.
  • axial portion 18 is released and elastically returns to the position shown in FIG. 2, so that between the piston circumference 9 and the inside of the bent about 90 ° axial region 18th the cup seal 16 forms a conical gap 33, which is required in order to guide the piston 8 in each stroke position relative to the cylinder bore 32 of the cylinder 2 sealed.
  • a planar preform 21 is shown in Fig. 3, it may also be necessary to use a preform 21 a shown in Figures 5 and 6, which in the casting mold 25 in the manner shown in Fig. 3 at
  • Piston material are filled.
  • Diameter of the 90 ° bent axial portion 18 of the cup 16 corresponds. If the piston 8 with its radially protruding peripheral region 18a moves over the inlet bevel 28 into the position shown in FIG. 8 in the calibration tool 27, the radially protruding peripheral region 18a of the preform 21 engages in the axial region 18 of the cup collar bent by approximately 90 ° 16 and is permanently deformed in this position by the heat from the heat source 30 to the calibration tool 27, so that it is ready for installation for the reciprocating working machine 1 shown in FIG. If the reciprocating working machine 1 does not have a cylinder 2 with cylinder head integrally formed thereon, as shown in FIG. 1, but can be provided with a cylinder head which can be mounted separately from the cylinder 2 in a manner not shown, a cylinder 31 with an inlet bevel 28 can be provided
  • Cup 16 for example polytetrafluoroethylene (PTFE), so the cylinder 31, similar to the calibration tool 27, must be heated by means of a heat source 30 to a suitable temperature to cause a plastic deformation of the axial portion 18 of the cup 16.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • Cup sleeve 16 is not damaged (it may be, for example, a fiber-reinforced plastic, such as glass fiber reinforced polyamide), the embodiment shown in Figures 10 and 11 made of light metal casting for the piston 8 and the connecting rod shaft 10 produced therewith and the
  • Connecting rod eye 1 1 exist.
  • the pressing ring 20 may be held by a press connection, adhesive connection or welded connection to the piston 8 and has a ball portion shaped peripheral surface 20a, complementary to the also formed as a ball portion hoop circumference 9 on the circular shoulder 8a of the piston eighth
  • a planar preform 21 is clamped with its radial region 17a between the circular shoulder 8a and the pressing ring 20. Thereafter, a calibration tool 27 is moved axially with respect to the piston 8 in such a way that the initially radially protruding peripheral region 18a of the preform 21 is formed into the axial region 18 of the cup sleeve 16 bent by approximately 90 ° into the functional contour of the installed state. It remains between the bent by about 90 ° axial portion 18 of the cup 16 and the peripheral surface 20a of the Aufpressrings 20, a conical, circumferential gap 33, which is about 90 ° bent axial region 18 enough movement in the pendulum movement of the piston 8 during the up and Abmony in the cylinder 2, 31 offers.
  • Fig. 10 it can be seen that the radial portion 17a of the preform 21 has circumferential, axially aligned projections 34 and at least one circumferential groove 35, the fixing and sealing of the radial portion 17, 17a of the cup 21 between the circular shoulder 8a of the piston 8 and cause the pressing ring 20.
  • FIG. 11 only one circumferential groove 35 in the radial area 17a of the preform 21 is shown in FIG. 11.
  • FIGS. 10 and 11 can also be realized with a pressure plate, as shown and described in DE 197 27 186 B4, instead of the pressing ring 20 shown in FIGS. 10 and 11, in that a planar preform 21 according to FIG. 10 or a slightly curved preform 21 a of FIG. 1 1 is fixed to the piston 8 by a pressure plate, and in the manner shown in Figures 7 to 1 1 in the bent by about 90 ° axial region 18 of
  • Cup sleeve 16 is transformed. All mentioned in the above description of the figures, in the claims and in the introduction of the description features can be used individually as well as in any combination with each other. The invention is thus not limited to the described and claimed feature combinations. Rather, all feature combinations are to be regarded as disclosed.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines eine zentrale Kolbenlängsachse (19) und einen Kolbenumfang (9) aufweisenden Kolbens (8) mit einer Umfangsdichtung in Form einer kreisförmigen Topfmanschette (16), wobei die Topfmanschette (16) in ihrer die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisenden Form aus einem im Kolben (8) gehaltenen sowie in einem Radialbereich (17) radial zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten Schenkel und einem in einen Axialbereich (18) um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten Schenkel besteht. Zur Reduzierung von Fertigungsschritten und um ein genaues Einpassen des Kolbens (8) in einen Zylinder (2, 31) einer Hubkolbenarbeitsmaschine (1) zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Topfmanschette (16) als ebener oder gewölbter Vorformling (21, 21a) mit einem Radialbereich (17a, 17b), der den etwa radialen, zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten Schenkel der Topfmanschette (16) bildet, am Kolben (8) angebracht wird, und danach ein über den Kolbenumfang (9) radial hinausragender Umfangsbereich (18a, 18b) in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) zur Erlangung der Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette (16) umgeformt wird.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Hubkolbenarbeitsmaschine, nach dem Verfahren hergestellter Kolben sowie Hubkolbenarbeitsmaschine mit wenigstens einem nach dem Verfahren hergestellten Kolben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines eine zentrale
Kolbenlängsachse und einen Kolbenumfang aufweisenden Kolbens mit einer
Umfangsdichtung in Form einer kreisförmigen Topfmanschette, wobei die
Topfmanschette in ihrer die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisenden Form aus einem im Kolben gehaltenen sowie in einem Radialbereich radial zur
Kolbenlängsachse ausgerichteten Schenkel und einem in einen Axialbereich um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse ausgerichteten Schenkel besteht, zur Anordnung in einem Zylinder einer Hubkolbenarbeitsmaschine,
beispielsweise eines Kolbenkompressors, einen nach dem Verfahren gefertigten Kolben sowie eine Hubkolbenarbeitsmaschine mit wenigstens einem nach dem Verfahren hergestellten Kolben.
Die DE 197 27 186 B4 offenbart eine Pendelkolben- und Zylinder-Anordnung. Der Pendelkolben ist einstückig zusammen mit einem Pleuel hergestellt. Eine
Manschettendichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ist zwischen einem Kolbenrand und einer mittels einer zentralen Schraube am Kolben befestigten Druckplatte mit ihrem radial zur Kolbenlängsachse gerichteten Schenkel eingeklemmt, während ein um etwa 90° abgebogener, etwa parallel zur Kolbenlängsachse ausgerichteter, etwa
kreisförmiger Schenkel die Abdichtung gegenüber einem Zylinder bewirkt, in dem sich der Kolben hin und her bewegt. Die Topfmanschette wird in der beschriebenen, die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisenden Form zur Montage angeliefert und in dieser Form am Kolben mittels der Druckplatte befestigt, so dass sich der Kolben mit der Topfmanschette in den Zylinder einbauen lässt. Hierzu ist allerdings in der Regel ein Nachkalibrieren der Topfmanschette vor dem Einbau in den Zylinder erforderlich. Dieser Kalibrierschritt führt zu erhöhten Fertigungskosten. Aus der EP 1 801 416 B1 ist eine Hubkolbenmaschine, insbesondere ein
Kolbenkompressor bekannt, mit einem Zylinder, einen im Zylinder mittels einer
Manschettendichtung abgedichtet laufenden Kolben, mit einem auf einer Kurbelwelle arbeitenden Antriebsmotor, dessen Antriebswelle von einer Bohrung der Kurbelwelle aufgenommen ist, und mit einem Pleuel mit einer Pleuelstange, an deren einem Ende ein Pleuelauge zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens der Kurbelwelle ausgebildet ist und an deren anderem Ende der einstückig mit dem Pleuel ausgebildete Kolben angeformt ist. Die als Topfmanschette ausgebildete Dichtung ist mit ihrem radial in Richtung der Kolbenlängsachse verlaufenden Schenkel auf einer umlaufenden Schulter des Kolbens mittels eines Aufpressrings fixiert. Die Außenkonturen des Aufpressrings und des Kolbens sind ballig, insbesondere als Kugelabschnitt ausgebildet.
Der Aufpressring ist erforderlich, um erst die relativ steife und wie ein
geschlossener Ring ausgebildete Manschettendichtung in axialer Richtung auf den Kolben bis zur Kolbenschulter aufzuschieben und dann den radial gerichteten Flansch auf dem Kolben zu fixieren. Der Aufpressring lässt sich allein durch eine Presswirkung zwischen dem Kolben und dem Aufpressring fixieren. Es ist aber auch möglich, den Aufpressring zusätzlich oder ausschließlich mit dem Kolben zu verkleben oder mit dem Kolben zu verschweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, sofern der
Aufpressring und der Kolben aus Kunststoff bestehen. Insbesondere bei einem Kolben aus Kunststoff treten in der Praxis häufig Probleme mit der Pressung zwischen dem Kolben und dem Aufpressring auf, die beispielsweise aus unterschiedlichen Materialien, wie einem metallischen Aufpressring und einem Kolben aus Kunststoff, oder bei einem Aufpressring und einem Kolben aus Kunststoff aus der mangelnden Presswirkung wegen der Fließwirkung des Kunststoffs resultieren können. Eine Klebeverbindung zwischen dem Aufpressring und dem Kolben stellt hohe Anforderungen an die Reinheit des Produktionsablaufs, ist nicht sehr prozesssicher und verursacht erhöhte Kosten. Dies gilt auch für ein Verschweißen des Aufpressrings mit dem Kolben.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einer Umfangsdichtung in Form einer
Topfmanschette, einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben sowie eine
Kolbenarbeitsmaschine mit wenigstens einem nach diesem Verfahren hergestellten Kolben vorzuschlagen, für die weniger Arbeitsschritte als gemäß dem erwähnten Stand der Technik erforderlich sind, um die Funktionalkontur des Einbauzustandes
herbeizuführen und die eine sichere sowie kostengünstige Befestigung der
Topfmanschette am Kolben gewährleisten.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Herstellen eines eine zentrale Kolbenlängsachse und einen Kolbenumfang aufweisenden Kolbens mit einer Umfangsdichtung in Form einer kreisförmigen Topfmanschette, wobei die
Topfmanschette in ihrer die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisenden Form aus einem im Kolben gehaltenen sowie in einem Radialbereich radial zur
Kolbenlängsachse ausgerichteten Schenkel und einem in einen Axialbereich um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse ausgerichteten Schenkel besteht, dadurch, dass die Topfmanschette als ebener oder gewölbter Vorformling mit einem Radialbereich, der den etwa radialen, zur Kolbenlängsachse ausgerichteten Schenkel der Topfmanschette bildet, am Kolben angebracht wird, und danach ein über den Kolbenumfang radial hinausragender Umfangsbereich in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich der Topfmanschette zur Erlangung der Funktionalkontur des Einbauzustandes umgeformt wird.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass sich ein ebener oder gewölbter Vorformling zur Herstellung der Topfmanschette vom Dichtungshersteller
kostengünstiger als eine die Funktionalkontur des Einbauzustands aufweisende Topfmanschette fertigen lässt und die Umformung der Topfmanschette in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich zur Erlangung der Funktionalkontur des
Einbauzustandes im Zylinder direkt am Kolben erfolgen kann, wobei dieser
Umformvorgang gleichzeitig das Kalibrieren des um etwa 90° abgebogenen
Axialbereichs der Topfmanschette bewirkt und dafür kein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist.
Unter der Funktionalkontur des Einbauzustandes im Zylinder ist diejenige Kontur der Topfmanschette zu verstehen, welche die Topfmanschette aufweist, wenn der um etwa 90° abgebogene Axialbereich der Topfmanschette einen wenig größeren
Durchmesser als der Innendurchmesser des Zylinders aufweist, in den der Kolben mit der Topfmanschette montiert wird, und zwar um ein solches Übermaß größer ist, dass durch die Pressung der Topfmanschette im Zylinder die geforderte Dichtwirkung bei gleichzeitig möglichst reibungsarmer Beweglichkeit des Kolbens erreicht wird.
Der umlaufende, radial zur Kolbenlängsachse gerichtete Radialbereich des ebenen oder leicht gewölbten Vorformlings kann in einem ersten Schritt mittels eines Aufpressrings am Kolben bleibend eingeklemmt werden, wonach in einem zweiten Schritt ein radial über den Umfang des Kolbens überstehender Umfangsbereich des Vorformlings in die Funktionalkontur des Einbauzustandes bleibend umgeformt wird, um den um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse gerichteten und umlaufenden Axialbereich der Topfmanschette zu bilden.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner durch ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einer Umfangsdichtung in Form einer Topfmanschette gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem ersten Schritt der Vorformling so in ein
Gießwerkzeug mit einem Formhohlraum zur Formung des Kolbens eingelegt wird, dass nur der umlaufende, radial zur Kolbenlängsachse gerichtete Radialbereich in den Formhohlraum ragt, dass in einem zweiten Schritt dieser in den Formhohlraum ragende Radialbereich durch Füllen des Formhohlraums mit Kolbenmaterial umgössen wird, und dass nach dem Entformen des Kolbens in einem dritten Schritt der radial über den Kolbenumfang überstehende Umfangsbereich des Vorformlings in die Funktionalkontur des Einbauzustandes bleibend umgeformt wird, um den um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse ausgerichteten, umlaufenden Axialbereich der Topfmanschette zu bilden.
Die beiden genannten Verfahren lassen sich vorzugsweise in der Weise durchführen, dass das Umformen des radial über den Umfang des Kolbens
überstehenden Umfangsbereichs des Vorformlings in die Funktionalkontur des
Einbauzustands der Topfmanschette als Kalt- oder Warmumformung mittels eines den Umfangsbereich des Vorformlings umfassenden Kalibrierwerkzeugs erfolgt, das vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist, einen etwa dem Außendurchmesser des die Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topf manschette aufweisenden, um etwa 90° abgebogenen Axialbereich der Topfmanschette entsprechenden Innendurchmesser aufweist und zur Umformung des radial überstehenden Umfangsbereichs des Vorformlings in den um etwa 90 " abgebogenen Axialbereich der Topfmanschette in Achsrichtung, den Kolbenumfang umgreifend, über den radial überstehenden
Umfangsbereich des Vorformlings relativ zum Kolben bewegt wird.
Anstelle eines separaten Kalibrierwerkzeugs lässt sich auch der Zylinder der Hubkolbenarbeitsmaschine als Kalibrierwerkzeug einrichten, so dass das Umformen des radial überstehenden Umfangsbereiches des Vorformlings in die Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette durch Einschieben des Kolbens mit dem daran angebrachten Vorformling in den Zylinder bewirkt wird.
Die Verwendung eines getrennten, ringförmigen Kalibrierwerkzeugs hat den Vorteil, dass sich das Kalibrierwerkzeug auf einfache Weise aufheizen lässt, wenn das Umformen des Umfangsbereichs des Vorformlings in die Funktionalkontur des
Einbauzustands als Warmumformung bei einer vorgegebenen Temperatur,
beispielsweise bei 200 °C, durchgeführt wird. Das Aufheizen eines Zylinders der Hubkolbenarbeitsmaschine ist zwar auch möglich, jedoch schwieriger zu
bewerkstelligen, da die Hubkolbenarbeitsmaschine im Bereich des Zylinders Ansaug- und Auslassorgane aufweist, welche die Anordnung einer Heizvorrichtung am Zylinder beeinträchtigen. Des Weiteren ist in diesem Fall ein abnehmbarer Zylinderkopf mit den Einlass- und Auslassorganen erforderlich, da der Kolben mit der die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisenden Topfmanschette von der Zylinderkopfseite aus in den Zylinder eingeführt werden muss, um die Umformung des radial über den Umfang des Kolbens überstehenden Umfangsbereichs des Vorformlings in die Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette durchführen zu können. Vorteilhaft ist in diesem Fall, dass kein gesondertes Kalibrierwerkzeug erforderlich ist und das
Umformen in die Funktionalkontur des Einbauzustandes beim Zusammenbau der Hubkolbenarbeitsmaschine erfolgt.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner durch ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit einer Umfangsdichtung in Form einer Topfmanschette gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisende Topfmanschette in einem ersten Schritt so in ein Gießwerkzeug mit einem
Formhohlraum zur Formung des Kolbens eingebracht wird, dass ihr um etwa 90° abgebogener Axialbereich in eine von der Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette abweichende Form elastisch verformt wird und nur der Umlaufende, radial zur Kolbenlängsachse gerichtete Radialbereich der Topfmanschette in den Formhohlraum ragt, in einem zweiten Schritt dieser in den Formhohlraum ragende Radialbereich der Topfmanschette durch Füllen des Formhohlraums mit Kolbenmaterial umgössen wird, und in einem dritten Schritt der Kolben entformt wird, so dass der im Gießwerkzeug elastisch verformte, um etwa 90° abgebogene Umfangsbereich der Topfmanschette freigegeben wird und elastisch in die dem Einbauzustand
entsprechende Funktionalkontur der Topfmanschette zurückkehrt.
Bei diesem Verfahren wird kein Vorformling in ein Gießwerkzeug eingebracht, sondern die einbaufertige Topfmanschette, deren umlaufender, radial zur
Kolbenlängsachse gerichteter Radialbereich mit Kolbenmaterial umgössen wird.
Wesentlich ist bei diesem Verfahren, dass der um etwa 90 " abgebogene
Axialbereich der Topfmanschette beim Einlegen in das Gießwerkzeug elastisch verformt wird und nach Fertigstellung des Kolbens und Entformung aus dem
Gießwerkzeug in seine Ursprungslage zurückfedert.
Gemäß einer Ausführungsform dieses Verfahrens kann der um etwa 90° abgebogene Axialbereich der Topfmanschette beim Einbringen in das Gießwerkzeug um bis zu etwa 90° in eine etwa radiale Richtung und im Wesentlichen fluchtend mit dem radial zur Kolbenlängsachse ausgerichteten Radialbereich der Topfmanschette elastisch aufgebogen werden und vom Formwerkzeug umfasst werden, so dass dieser um etwa 90° aufgebogene Umfangsbereich der Topfmanschette beim Entformen des Kolbens vom Gießwerkzeug freigegeben wird, und der um etwa 90° aufgebogene Axialbereich der Topfmanschette elastisch in die um 90 " abgebogene, die
Funktionskontur des Einbauzustandes aufweisende Lage zurückfedert.
Um dieses Aufbiegen um etwa 90° besonders leicht durchführen zu können, kann der um etwa 90 " abgebogene Axialbereich der Topfmanschette auf dem Umfang verteilte Sollbruchstellen aufweisen, die beim Aufbiegen aufreißen und sich beim Entformen beim Zurückfedern in die um etwa 90° abgebogene Stellung wieder schließen. Sollen derartige Sollbruchstellen vermieden werden, ist es auch möglich, den um etwa 90 " abgebogenen Axialbereich der Topfmanschette beim Einbringen in das Gießwerkzeug radial in Richtung der Kolbenlängsachse zu überbiegen und vom
Gießwerkzeug umfassen zu lassen, so dass dieser um etwa 90° abgebogene und im Gießwerkzeug überbogene Axialbereich beim Entformen des Kolbens vom
Gießwerkzeug freigegeben wird und elastisch in die um etwa 90° abgebogene, die Funktionskontur des Einbauzustands aufweisende, einen konischen Spalt zum
Kolbenumfang hin bildende Lage zurückkehrt.
Wesentlich ist bei diesen Verfahrensvarianten, dass der radial zur
Kolbenlängsachse gerichtete Radialbereich der Topfmanschette vom Kolbenmaterial umgössen wird und der Kolben dabei einstückig sowie materialeinheitlich mit dem Pleuelschaft geformt wird.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird des Weiteren durch einen Kolben mit einer Umfangsdichtung in Form einer Topfmanschette, hergestellt nach einem der vorstehend definierten Verfahren, gelöst.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Kolbens besteht darin, dass der Kolben als Pendelkolben einstückig mit einem Pleuel aus einem Pleuelschaft und einem Pleuelauge mit einer Lagerbohrung am vom Kolben abgewandten Ende des
Pleuelschafts gefertigt ist. Ein solcher Pendelkolben mit einstückig angeformten Pleuel kann als Leichtmetallgussteil oder als Kunststoffspritzgussteil hergestellt sein.
Insbesondere wenn der Kolben als Leichtmetallgussteil hergestellt ist, ist es möglich, einen Vorformling mittels eines Pressrings am Kolben zu befestigen, um anschließend mittels eines Kalibrierwerkzeugs die Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette anzuformen.
Sofern der Kolben mit dem Pleuel materialeinheitlich durch
Kunststoffspritzgießen in einem Gießwerkzeug hergestellt wird, lässt sich der radial zur Kolbenlängsachse ausgerichtete Radialbereich sowohl eines Vorformlings als auch einer die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisende Topfmanschette in einer Spritzgießform mit Kolbenmaterial umgießen und einfassen, so dass anschließend bei Verwenden eines Vorformlings das Umformen und Kalibrieren in die um etwa 90° abgebogene, einen etwa parallel zur Kolbenlängsachse ausgerichteten, um den
Kolbenumfang umlaufenden Schenkel ergebenden Axialbereich erfolgen kann, oder der um etwa 90° abgebogene, etwa parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende
Axialbereich der Topfmanschette federt nach dem Entformen in die Funktionalkontur des Einbauzustandes zurück.
Für die Herstellung des Kolbens als Kunststoffspritzgussteil lässt sich ein dreiteiliges Gießwerkzeug verwenden, wovon zwei Formhälften in einer durch den Kolben und den Pleuelschaft sowie das Pleuelauge mittig verlaufenden Querebene geteilt sind und sich ein drittes Formteil in einer senkrecht zur Kolbenlängsachse verlaufenden Teilungsebene an die Formhälften anschließt, wobei die Teilungsebene für das dritte Formteil im Bereich der radial verlaufenden oder radial verformten
Umfangsbereiche der Topfmanschette oder des Vorformlings angeordnet ist, die Schließ- und Öffnungsbewegungen der zwei Formhälften senkrecht zur
Kolbenlängsachse und des dritten Formteils in Richtung der Kolbenlängsachse erfolgen, und die radial verlaufenden Umfangsbereiche der Topfmanschette oder die radial verformten Umfangsbereiche des Vorformlings bei geschlossenem Gießwerkzeug in Ausnehmungen in den zwei Formhälften und/oder im dritten Formteil aufgenommen sind. Da sich die zwei Formhälften nur quer zur Kolbenlängsachse sowie das dritte Formteil in Richtung der Kolbenlängsachse bewegen und somit keine Schrägzüge erforderlich sind, lässt sich das Gießwerkzeug kostengünstig herstellen und erfordert keine langen Taktzeiten für das Zusammenfahren und das Auseinanderfahren der Gießwerkzeugteile.
Der Kolben lässt sich auch mit einem zweiteiligen Gießwerkzeug herstellen, wenn die zwei Formhälften in einer durch den Kolben und den Pleuelschaft mittig verlaufenden Querebene geteilt sind, wobei der um etwa 90 " abgebogene
Axialbereich der Topfmanschette bei geschlossenem Gießwerkzeug in Ausnehmungen in den zwei Formhälften aufgenommen ist, die so bemessen sind, dass sie den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich der Topf manschette in Richtung der
Kolbenlängsachse überbiegen, und wobei die Öffnungsbewegung der zwei Formhälften senkrecht zur Kolbenlängsachse erfolgt und dabei der um etwa 90° abgebogene Axialbereich der Topfmanschette in Richtung der Funktionalkontur des
Einbauzustandes derselben zurückfedert. Zur Lagesicherung im Kolben können der Radialbereich des Vorformlings und/oder der radiale, zur Kolbenlängsachse gerichtete Radialbereich der
Topfmanschette Durchbrüche und/oder schwalbenschwanzförmige Ausschnitte aufweisen, die beim Herstellen des Kolbens durch das Kolbenmaterial ausgefüllt werden.
Zur Abdichtung der Topfmanschette gegenüber dem Kolben können der Radialbereich des Vorformlings und/oder der radiale, zur Kolbenlängsachse gerichtete Radialbereich der Topfmanschette mit einer oder mehreren umlaufenden Nuten und/oder Vorsprüngen versehen sein, die beim Montieren des Aufpressrings komprimiert werden oder beim Umgießen mit Kolbenmaterial in das Kolbenmaterial eindringen beziehungsweise vom Kolbenmaterial ausgefüllt werden.
Eine Kolbenarbeitsmaschine, beispielsweise ein Kompressor, lässt sich kostengünstig herstellen, wenn darin zumindest ein Kolben angeordnet ist, der gemäß einem der vorstehend definierten Merkmale hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer, in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Kolbenarbeitsmaschine mit Elektroantrieb,
Fig. 2 eine aus Kunststoff spritzgegossene Kolben-Pleuel-Einheit vor dem Einbau in die Hubkolbenarbeitsmaschine gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Detailschnittansicht eines Gießwerkzeugs zum Spritzgießen einer Kolben-Pleuel-Einheit mit eingegossenem Vorformling,
Fig. 4 eine Detailschnittansicht eines Gießwerkzeugs zum
Kunststoffspritzgießen einer Kolben-Pleuel-Einheit mit eingegossener Topfmanschette,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Vorformling, Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 5 des Vorformlings,
Fig. 7 eine Teilschnittansicht einer Kolben-Pleuel-Einheit mit eingegossenem Vorformling vor dem Einführen in ein beheiztes Kalibrierwerkzeug,
Fig. 8 eine Teilschnittansicht der Kolben-Pleuel-Einheit gemäß Fig. 7 nach dem Einführen in das Kalibrierwerkzeug und dem Umformen des Vorformlings,
Fig. 9 eine Teilschnittansicht ähnlich Fig. 8 einer Kolben-Pleuel-Einheit nach dem Einführen in einen Zylinder der Hubkolbenarbeitsmaschine und dem Umformen des Vorformlings in eine Topfmanschette,
Fig. 10 eine Ausführungsform einer Kolben-Pleuel-Einheit mit einer mittels eines Aufpressrings gehaltenen Topfmanschette aus einem ebenen Vorformling,
Fig. 1 1 eine Teilschnittansicht einer Kolben-Pleuel-Einheit mit einer mittels eines Aufpressrings am Kolben befestigten Topfmanschette, ausgehend von einem flach gewölbten Vorformling.
Eine Hubkolbenarbeitsmaschine 1 weist wenigstens einen Zylinder 2 auf, der einstückig mit einem Zylinderkopf hergestellt ist, in dem nur eine Druckseite 7 des Kompressors teilweise dargestellt ist. Eine Saugseite ist nicht dargestellt. Die
Druckseite 7 und die nicht dargestellte Saugseite sind übliche, allgemein bekannte Bauteile eines Kompressors und sind, da sie nicht Teil der Erfindung sind, nicht im Einzelnen beschrieben.
Der Zylinder 2 ist mit einem Kurbelgehäuse 2a verbunden, in welchem eine Kurbelwelle 3 mittels eines Kurbelwellenlagers 4 gelagert ist. Die Kurbelwelle 3 ist mit einem Hubzapfen 5 versehen und mit einem elektrischen Antriebsmotor 6 gekuppelt. Im Zylinder 2 ist ein als Pendelkolben ausgebildeter Kolben 8 mittels einer
Umfangsdichtung in Form einer Topfmanschette 16 abgedichtet in einer
Zylinderbohrung 32 geführt. Der Kolben 8 ist einstückig mit einem Pleuel, bestehend aus einem Pleuelschaft 10 und einem Pleuelauge 1 1 , aus Kunststoff spritzgegossen hergestellt. Das Pleuelauge 1 1 weist eine Lagerbohrung 12 zur Aufnahme eines Pleuellagers in Form eines Wälzlagers 13 auf. Das Wälzlager 13 ist mit einer
Bohrung 14 an seinem Innenring auf dem Hubzapfen 5 mittels einer Schraube 15 fixiert.
Da der Kolben 8 mit dem Pleuelschaft 10 einstückig hergestellt ist, führt er bei der Drehung der Kurbelwelle 3 während seiner durch den Hubzapfen 5 bewirkten Auf- und Abbewegung im Zylinder 2 eine Pendelbewegung aus und weist aus diesem Grund einen Kolbenumfang 9 in Form eines Kugelabschnitts auf. Derartige mit dem
Pleuelschaft 10 einstückig hergestellte Pendelkolben 8 sind Stand der Technik und beispielsweise in der DE 197 27 186 B4 sowie in der EP 1 801 416 B1 beschrieben.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen mit einem
Pleuelschaft 10 und einem Pleuelauge 1 1 einstückig hergestellten Kolben 8, die als Kunststoffspritzgussteil mit einer in den Kolben 8 eingegossenen Topfmanschette 16 hergestellt sind. Der Außenring des Pleuellagers 13 kann ebenso wie die
Topfmanschette 16 von dem Kunststoff umgössen sein.
Die Topfmanschette 16 weist einen radial in Richtung einer Kolbenlängsachse 19 ausgerichteten Radialbereich 17, der in den Kolben 8 eingegossen ist, sowie einen außerhalb des Kolbenumfangs 9 herausragenden, um etwa 90 " abgebogenen
Axialbereich 18 auf, der in der Zylinderbohrung 32 des Zylinders 2, wie in Fig. 1 dargestellt, die Abdichtung des Kolbens 8 im Zylinder 2 bewirkt. Eine Möglichkeit, den Kolben 8 mit dem Pleuelschaft 10 und dem Pleuelauge 1 1 in einem Gießwerkzeug 25 herzustellen, ist in Fig. 3 dargestellt.
Ein Gießwerkzeug 25, das in Fig. 3 nur bereichsweise dargestellt ist, besteht aus zwei Formhälften 37, deren nicht dargestellte Teilungsebene durch die
Kolbenlängsachse 19 verläuft. Von den beiden Formhälften ist nur eine Formhälfte 37 dargestellt, symmetrisch dazu ist eine zweite, nicht dargestellte Formhälfte angeordnet. Diese beiden Formhälften 37 werden zum Öffnen und Schließen des
Gießwerkzeugs 25 senkrecht zur Kolbenlängsachse 19 aufeinander zu- und
voneinander wegbewegt. Ein drittes Formteil 36 ist bezüglich der Formhälften 37 so angeordnet, dass es sich in Richtung der Kolbenlängsachse 19 gegen die
Formhälften 37 und von diesen wegbewegen lässt. Dementsprechend ergibt sich eine Teilungsebene 38, die senkrecht zur Kolbenlängsachse 19 verläuft. Die beiden Formhälften 37 und das dritte Formteil 36 bilden in der dargestellten geschlossenen Stellung einen Formhohlraum 26, in den ein Kunststoff zum Formen des Kolbens 8, des Pleuelschafts 10 und des Pleuelauges 1 1 eingespritzt wird.
Gemäß Fig. 3 weisen die Formhälften 37 eine Ausnehmung 37a auf, die dazu bestimmt ist, einen flachen bzw. planen Umfangsbereich 18a eines Vorformlings 21 aufzunehmen. Diese Ausnehmung 37a lässt sich auch im dritten Formteil 36 anordnen, oder sie kann sich sowohl in die Formhälften 37 als auch in das dritte Formteil 36 erstrecken. Ein radial in Richtung der Kolbenlängsachse 19 in den Formhohlraum 26 ragender Radialbereich 17, 17a des Vorformlings 21 wird beim Füllen des
Gießwerkzeugs 25 mit Kolbenmaterial von diesem Kolbenmaterial umschlossen und ist auf diese Weise mit dem Kolben 8 formschlüssig verbunden.
Aus Fig. 4 ist eine Ausführungsform ersichtlich, bei der das Gießwerkzeug 25 ebenfalls aus zwei Formhälften 37, deren Teilungsebene durch die Kolbenlängsachse 19 verläuft, und aus einem dritten Formteil 36, dessen Teilungsebene 38 gegenüber den Formhälften 37 senkrecht zur Kolbenlängsachse 19 verläuft, besteht. Bei dieser Ausführungsform wird eine die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisende Topfmanschette 16 mit ihrem um etwa 90° abgebogenen Axialbereich 18 in eine Ausnehmung 37b der Formhälften 37 eingelegt, wobei die Ausnehmung 37b so geformt und bemessen ist, dass der um etwa 90° abgebogene Axialbereich 18 der
Topfmanschette 16 in Richtung zu der Kolbenlängsachse 19 radial überbogen und beim Schließen der Formhälften 37 von diesen umfasst wird. Der in den Formhohlraum 26 ragende Radialbereich 17 der Topfmanschette 16 wird durch das in den
Formhohlraum 26 eingespritzte Kunststoffmaterial umgössen und durch diesen formschlüssig festgehalten. Beim Öffnen der Formhälften 37 wird der um 90° umgebogene und im Gießwerkzeug 25 überbogene Axialbereich 18 freigegeben und kehrt elastisch in die in Fig. 2 dargestellte Stellung zurück, so dass sich zwischen dem Kolbenumfang 9 und der Innenseite des um etwa 90° abgebogenen Axialbereichs 18 der Topfmanschette 16 ein konischer Spalt 33 bildet, der erforderlich ist, um den Kolben 8 in jeder Hubstellung gegenüber der Zylinderbohrung 32 des Zylinders 2 abgedichtet zu führen. Während in Fig. 3 ein ebener Vorformling 21 dargestellt ist, kann es auch erforderlich sein, einen in den Figuren 5 und 6 dargestellten Vorformling 21 a zu verwenden, der im Gießwerkzeug 25 in der in Fig. 3 dargestellten Weise beim
Schließen der beiden Formhälften 37 und des dritten Formteils 36 flachgedrückt wird. Zu diesem Zweck kann der Vorformling 21 a gleichmäßig auf den Umfang verteilte Sollbruchstellen in Form von - von seiner Innenseite ausgehenden Nuten 22 - aufweisen, die in dem in den Figuren 5 und 6 dargestellten Zustand nur durch dünne Materialbereiche 22a verbunden sind. Beim Flachdrücken im Gießwerkzeug 25 zerreißen diese Materialbereiche 22a.
Um eine Lagesicherung der Topfmanschette 16 im Kolben 8 zu erreichen, kann der Vorformling 21 , wie in Figuren 5 und 6 dargestellt, oder die Topfmanschette 16 in ihrem Radialbereich 17 Durchbrüche 23 und/oder schwalbenschwanzförmige
Ausschnitte 24 aufweisen, die beim Füllen des Gießwerkzeugs 25 mit dem
Kolbenmaterial ausgefüllt werden.
Nach dem Ausformen des Kolbens 8 mit angegossenem Pleuelschaft 10 und Pleuelauge 1 1 sowie eingegossenem Vorformling 21 ist ein Umformen des radial auswärts ragenden Umfangsbereichs 18a des Vorformlings 21 in die um etwa 90° abgebogene, die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisende Form des Axialbereichs 18 der Topfmanschette 16 erforderlich. Gemäß den Figuren 7 und 8 kann dies mittels eines durch eine Wärmequelle 30 beheizbaren Kalibrierwerkzeugs 27 erfolgen. Dieses Kalibrierwerkzeug 27 weist eine konische Einlaufschräge 28 und eine zylindrische Innenoberfläche 29 auf, deren Durchmesser im Wesentlichen dem
Durchmesser des um 90° abgebogenen Axialbereichs 18 der Topfmanschette 16 entspricht. Wird der Kolben 8 mit seinem radial überstehenden Umfangsbereich 18a über die Einlaufschräge 28 in die in Fig. 8 dargestellte Stellung im Kalibrierwerkzeug 27 bewegt, so legt sich der radial abstehende Umfangsbereich 18a des Vorformlings 21 um in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich 18 der Topfmanschette 16 und wird in dieser Stellung durch die Wärmeeinwirkung von der Wärmequelle 30 auf das Kalibrierwerkzeug 27 bleibend verformt, so dass er einbaufertig für die in Fig. 1 dargestellte Hubkolbenarbeitsmaschine 1 ist. Wenn die Hubkolbenarbeitsmaschine 1 nicht wie in Fig. 1 dargestellt einen Zylinder 2 mit daran einstückig angeformtem Zylinderkopf aufweist, sondern in nicht dargestellter Weise mit einem vom Zylinder 2 getrennt montierbaren Zylinderkopf versehen werden kann, lässt sich ein Zylinder 31 mit einer Einlaufschräge 28
entsprechend dem Kalibrierwerkzeug 27 als Kalibrierwerkzeug verwenden, indem eine vorgefertigte Einheit aus dem Kolben 8 mit dem einstückig gefertigten Pleuelschaft 10 und dem Pleuelauge 1 1 sowie dem eingegossenen Vorformling 21 in der bezüglich der Figuren 7 und 8 beschriebenen Weise in die Zylinderbohrung 32 des Zylinders 31 eingeführt wird (Fig. 9).
Handelt es sich bei dem Material der Topfmanschette 16 um ein
gummielastisches Material, so ist eine Erwärmung des Zylinders 31 durch eine nicht dargestellte Wärmequelle nicht erforderlich. Handelt es sich beim Material der
Topfmanschette 16 beispielsweise um Polytetrafluorethylen (PTFE), so muss der Zylinder 31 , ähnlich wie das Kalibrierwerkzeug 27, mittels einer Wärmequelle 30 auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden, um eine plastische Verformung des Axialbereichs 18 der Topfmanschette 16 zu bewirken.
Während der materialeinheitlich mit dem Pleuelschaft 10 und dem Pleuelauge 1 1 hergestellte Kolben 8 gemäß den Figuren 1 bis 4 und 7 bis 9 mit einer eingegossenen Topfmanschette 16 versehen ist, die aus gummielastischem Material oder PTFE besteht, so dass das Kolbenmaterial auch aus einem Kunststoffmaterial bestehen muss, das sich bei einer Temperatur Spritzgießen lässt, die das Material der
Topfmanschette 16 nicht beschädigt (es kann sich dabei beispielsweise um einen faserverstärkten Kunststoff, wie glasfaserverstärktes Polyamid handeln), kann die in den Figuren 10 und 11 dargestellte Ausführungsform aus Leichtmetallguss für den Kolben 8 und dem damit einstückig hergestellten Pleuelschaft 10 sowie dem
Pleuelauge 1 1 bestehen. Bei dieser Ausführungsform wird ein ringförmiger
Vorformling 21 , 21 a in ebener bzw. planer Form gemäß Fig. 10 oder in einer leicht aufgebogenen Form gemäß den Figuren 5, 6 und 1 1 mit seinem Radialbereich 17a, 17b zwischen einem kreisförmigen Absatz 8a und einem Aufpressring 20 am Kolben 8 befestigt. Der Aufpressring 20 kann durch eine Pressverbindung, Klebeverbindung oder Schweißverbindung am Kolben 8 gehalten sein und weist eine als Kugelabschnitt geformte Umfangsfläche 20a auf, komplementär zu dem ebenfalls als Kugelabschnitt geformten Kobenumfang 9 am kreisförmigen Absatz 8a des Kolbens 8.
Gemäß Fig. 10 wird ein ebener Vorformling 21 mit seinem Radialbereich 17a zwischen dem kreisförmigen Absatz 8a und dem Aufpressring 20 eingeklemmt. Danach wird ein Kalibrierwerkzeug 27 so gegenüber dem Kolben 8 axial bewegt, dass der zunächst radial abstehende Umfangsbereich 18a des Vorformlings 21 in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich 18 der Topfmanschette 16 in die Funktionalkontur des Einbauzustands umgeformt wird. Dabei verbleibt zwischen dem um etwa 90° abgebogenen Axialbereich 18 der Topfmanschette 16 und der Umfangsfläche 20a des Aufpressrings 20 ein konischer, umlaufender Spalt 33, der dem um etwa 90° abgebogenen Axialbereich 18 genügend Bewegungsspiel bei der Pendelbewegung des Kolbens 8 während der Auf- und Abbewegung im Zylinder 2, 31 bietet.
In Fig. 10 ist ersichtlich, dass der Radialbereich 17a des Vorformlings 21 umlaufende, axial ausgerichtete Vorsprünge 34 und wenigstens eine umlaufende Nut 35 aufweist, die eine Fixierung und Abdichtung des Radialbereichs 17, 17a der Topfmanschette 21 zwischen dem kreisförmigen Absatz 8a des Kolbens 8 und dem Aufpressring 20 bewirken. In Fig. 1 1 ist demgegenüber nur eine umlaufende Nut 35 im Radialbereich 17a des Vorformlings 21 dargestellt.
In ähnlicher weise können die Umfangsbereiche 17a, 17b der Vorformlinge 21 , 21 a, wie in Fig. 5 dargestellt, glatt ausgebildet sein, während der kreisförmige Absatz 8a des Kolbens 8 und der Aufpressring 20 jeweils mit einem oder mehreren umlaufenden Vorsprüngen versehen sind.
Die Ausführungsform gemäß den Figuren 10 und 1 1 lässt sich auch mit einer Druckplatte, wie in der DE 197 27 186 B4 dargestellt und beschrieben, anstelle des in den Figuren 10 und 1 1 dargestellten Aufpressrings 20 verwirklichen, indem ein ebener Vorformling 21 gemäß Fig. 10 oder ein leicht gewölbter Vorformling 21 a gemäß Fig. 1 1 am Kolben 8 durch eine Druckplatte fixiert wird, und in der in den Figuren 7 bis 1 1 dargestellten Weise in den um etwa 90° abgebogene Axialbereich 18 der
Topfmanschette 16 umgeformt wird. Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
Bezugzeichenliste (Bestandteil der Beschreibung)
Hubkolbenarbeitsmaschine
2 Zylinder, einstückig mit Zylinderkopf
2a Kurbelgehäuse
Kurbelwelle
Kurbelwellenlager
5 Hubzapfen
Antriebsmotor
Druckseite der Hubkolbenarbeitsmaschine 1
Kolben
a Absatz
Kolbenumfang
10 Pleuelschaft
1 1 Pleuelauge
12 Lagerbohrung
13 Pleuellager
14 Bohrung für den Hubzapfen 5
15 Schraube
16 Topfmanschette
17 Radialbereich der Topfmanschette 16
17a Radialbereich des Vorformlings 21
17b Radialberreich des Vorformlings 21 a
18 Axialbereich der Topfmanschette 16
18a Flacher, radial überstehender Umfangsbereich des Vorformlings 21
18b Schräg gestellter Umfangsbereich des Vorformlings 21 a
19 Kolbenlängsachse
20 Aufpressring
20a Umfangsfläche des Aufpressrings 20
21 Ebener Vorformling
21 a Gewölbter Vorformling
22 Sollbruchstellen
22a Dünne Materialbereiche
23 Durchbrüche Schwalbenschwanzförmiger Ausschnitt
Gießwerkzeug
Formhohlraum
Kalibrierwerkzeug
Einlaufschräge
Zylindrische Innenoberfläche des Zylinders 2, 31
Wärmequelle
Zylinder ohne Zylinderkopf
Zylinderbohrung
Konischer Spalt
Umlaufende Vorsprünge
Umlaufende Nut
Drittes Formteil
Formhälften
a Ausnehmung für radial gestellten Umfangsbereich 18ab Ausnehmung für um 90° abgebogenen Axialbereich 18
Teilungsebene

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen eines eine zentrale Kolbenlängsachse (19) und einen Kolbenumfang (9) aufweisenden Kolbens (8) mit einer Umfangsdichtung in Form einer kreisförmigen Topfmanschette (16), wobei die Topfmanschette (16) in ihrer die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisenden Form aus einem im Kolben (8) gehaltenen sowie in einem Radialbereich (17) radial zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten Schenkel und einem in einen Axialbereich (18) um etwa 90°
abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten Schenkel besteht, zur Anordnung in einem Zylinder (2, 31 ) einer Hubkolbenarbeitsmaschine (1 ), beispielsweise eines Kolbenkompressors, dadurch gekennzeichnet, dass die
Topfmanschette (16) als ebener oder gewölbter Vorformling (21 , 21 a) mit einem
Radialbereich (17a, 17b), der den etwa radialen, zur Kolbenlängsachse (19)
ausgerichteten Schenkel der Topfmanschette (16) bildet, am Kolben (8) angebracht wird, und danach ein über den Kolbenumfang (9) radial hinausragender
Umfangsbereich (18a, 18b) in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) zur Erlangung der Funktionalkontur des Einbauzustandes umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende, radial zur Kolbenlängsachse (19) gerichtete Radialbereich (17a, 17b) des ebenen oder gewölbten Vorformlings (21 , 21 a) in einem ersten Schritt mittels eines Aufpressrings (20) am Kolben (8) bleibend eingeklemmt wird, und dass in einem zweiten Schritt ein radial über den Umfang (9) des Kolbens (8) überstehender Umfangsbereich (18a, 18b) des Vorformlings (21 , 21 a) in die Funktionalkontur des Einbauzustands der
Topfmanschette (16) bleibend umgeformt wird, um den um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten, umlaufenden Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) zu bilden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der Vorformling (21 , 21 a) so in ein Gießwerkzeug (25) mit einem
Formhohlraum (26) zur Formung des Kolbens (8) eingelegt wird, dass nur der umlaufende, radial zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichtete Radialbereich (17a, 17b) in den Formhohlraum (26) ragt, dass in einem zweiten Schritt dieser in den Formhohlraum (26) ragende Radialbereich (17a, 17b) durch Füllen des Formhohlraums (26) mit Kolbenmaterial umgössen wird, und dass nach dem Entformen des Kolbens (8) in einem dritten Schritt der radial über den Kolbenumfang (9) überstehende Umfangsbereich (18a, 18b) des Vorformlings (21 , 21a) in die
Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette (16) bleibend umgeformt wird, um den um etwa 90° abgebogenen, etwa parallel zur Kolbenlängsachse (19) ausgerichteten, umlaufenden Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) zu bilden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Umfangsbereiches des Vorformlings (21 , 21 a) in die Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette (16) als Kalt- oder Warmumformung mittels eines den Umfangsbereich (18a, 18b) des Vorformlings (21 , 21 a) umfassenden
Kalibrierwerkzeugs (27, 31 ) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kalibrierwerkzeug (27, 31 ) ringförmig ausgebildet ist, einen etwa dem
Außendurchmesser des die Funktionalkontur des Einbauzustands der
Topfmanschette (16) aufweisenden, um etwa 90° abgebogenen Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) entsprechenden Innendurchmesser aufweist und zur Umformung des Umfangsbereichs (18a, 18b) des Vorformlings (21 , 21 a) in den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) in Achsrichtung den
Kolbenumfang (9) umgreifend, über den radial überstehenden Umfangsbereich (18a,
18b) des Vorformlings (21 , 21 a) relativ zum Kolben (8) bewegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (31 ) der Hubkolbenarbeitsmaschine (1 ) als Kalibrierwerkzeug eingerichtet ist, und dass das Umformen des radial überstehenden Umfangsbereichs (18a, 18b) des Vorformlings (21 , 21 a) in die Funktionalkontur des Einbauzustandes der Topfmanschette (16) durch Einschieben des Kolbens (8) mit dem daran angebrachten Vorformling (21 , 21 a) in den Zylinder (31 ) bewirkt wird.
7. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine die Funktionalkontur des Einbauzustandes aufweisende Topfmanschette (16) in einem ersten Schritt so in ein Gießwerkzeug (25) mit einem Formhohlraum (26) zur Formung des Kolbens (8) eingebracht wird, dass ihr um etwa 90° abgebogener
Axialbereich (18) in eine von der Funktionalkontur des Einbauzustands abweichende Form
elastisch verformt wird und nur der umlaufende, radial zur Kolbenlängsachse (19) gerichtete Radialbereich (17) in den Formhohlraum (26) ragt, in einem zweiten Schritt dieser in den Formhohlraum (26) ragende Radialbereich (17) durch Füllen des
Formhohlraums (26) mit Kolbenmaterial umgössen wird, und in einem dritten Schritt der Kolben (8) entformt wird, so dass der im Gießwerkzeug (25) elastisch verformte, um etwa 90° abgebogene Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) freigegeben wird und elastisch in die dem Einbauzustand entsprechende Funktionalkontur der
Topfmanschette (16) zurückkehrt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der um etwa 90° abgebogene Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) beim Einbringen in das
Gießwerkzeug (25) um bis zu etwa 90° in eine etwa radiale Richtung und im
Wesentlichen fluchtend mit dem radial zur Kolbenlängsachse (19) gerichteten
Radialbereich (17) aufgebogen sowie vom Formwerkzeug (25) umfasst wird, und dass dieser um etwa 90° aufgebogene Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) beim Entformen des Kolben (8) vom Gießwerkzeug (25) freigegeben wird, so dass der um etwa 90° aufgebogene Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) elastisch in die um 90° abgebogene, die Funktionskontur des Einbauzustandes aufweisende Lage zurückfedert.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der um etwa 90° abgebogene Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) beim Einbringen in das
Gießwerkzeug (25) radial in Richtung der Kolbenlängsachse (19) überbogen und vom Gießwerkzeug (25) umfasst wird, und dass dieser überbogene Axialbereich (18) beim Entformen des Kolbens (8) vom Gießwerkzeug (25) freigegeben wird, so dass er elastisch in die um etwa 90° abgebogene, die Funktionskontur des Einbauzustandes aufweisende, einen konischen Spalt (33) zum Kolbenumfang (9) hin bildende Lage zurückkehrt.
10. Kolben mit einer Umfangsdichtung in Form einer Topfmanschette (16), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
1 1. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) als Pendelkolben einstückig mit einem Pleuel aus einem Pleuelschaft (10) und einem Pleuelauge (1 1 ) mit einer Lagerbohrung (12) am vom Kolben (8) abgewandten Ende des Pleuelschafts (10) gefertigt ist.
12. Kolben nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) mit dem Pleuelschaft (10) und dem Pleuelauge (1 1 ) materialeinheitlich durch
Kunststoffspritzgießen in einem Gießwerkzeug (25) hergestellt ist.
13. Kolben nach Anspruch 12, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 , 3, 8 oder 9, gekennzeichnet durch die Verwendung eines dreiteiligen Gießwerkzeugs (25), wovon zwei Formhälften (37) in einer durch den Kolben (8) und dem Pleuelschaft (10) sowie das Pleuelauge (1 1 ) mittig verlaufenden Querebene geteilt sind und sich ein drittes Formteil (36) in einer senkrecht zur Kolbenlängsachse (19) verlaufenden Teilungsebene (38) an die Formhälften (37) anschließt, wobei die
Teilungsebene (38) für das dritte Formteil (36) im Bereich der radial verlaufenden oder radial verformten Axialbereiche (18) der Topfmanschette (16) oder der
Umfangsbereiche (18a, 18b) des Vorformlings (21 , 21 a) angeordnet ist, die Schließ- und Öffnungsbewegungen der zwei Formhälften (37) senkrecht zur
Kolbenlängsachse (19) und des dritten Formteils (36) in Richtung der
Kolbenlängsachse (19) erfolgen, und die radial verlaufenden Umfangsbereiche (18) der Topfmanschette (16) oder die radial verformten Umfangsbereiche (18a, 18b) des Vorformlings (21 ) bei geschlossenem Gießwerkzeug (25) in Ausnehmungen (37a, 37b) in den zwei Formhälften (37) und/oder im dritten Formteil (36) aufgenommen sind.
14. Kolben nach Anspruch 12, hergestellt nach einem Verfahren gemäß
Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung eines wenigstens zweiteiligen Gießwerkzeugs (25), wovon zwei Formhälften (37) in einer durch den Kolben (8) und dem Pleuelschaft (10) mittig verlaufenden Querebene geteilt sind, und wobei der um etwa 90° abgebogene Axialbereich (18) der Topf manschette (16) bei geschlossenem Gießwerkzeug (25) in Ausnehmungen (37b) in den zwei Formhälften (37)
aufgenommen ist, welche so bemessen sind, dass sie den um etwa 90° abgebogenen Axialbereich (18) der Topfmanschette (16) in Richtung der Kolbenlängsachse (19) überbiegen, und wobei die Öffnungsbewegung der zwei Formhälften (37) senkrecht zur Kolbenlängsachse (19) erfolgt.
15. Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialbereich (17a, 17b) des Vorformlings (21 , 21 a) und/oder der radiale, zur Kolbenlängsachse (19) gerichtete Radialbereich (17) der Topfmanschette (16) zur Lagesicherung im Kolben (8) Durchbrüche (23) und/oder schwalbenschwanzförmige Ausschnitte (24) aufweist, die beim Herstellen des Kolbens (8) durch das
Kolbenmaterial ausgefüllt werden.
16. Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialbereich (17a, 17b) des Vorformlings (21 ,21 a) und/oder der radiale, zur Kolbenlängsachse (19) gerichtete Radialbereich (17) der Topfmanschette (16) zur Abdichtung gegenüber dem Kolben (8) mit einer oder mehreren umlaufenden
Nuten (35) und/oder Vorsprüngen (34) versehen sind.
17. Hubkolbenarbeitsmaschine (1 ) mit wenigstens einem Kolben (8) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16.
18. Hubkolbenarbeitsmaschine (1 ), nämlich Kompressor, mit wenigstens einem Kolben (8) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16.
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