-
Die Erfindung betrifft einen Hohlkolben
für eine
Kolbenmaschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Hohlkolbens.
-
Die bei Axialkolbenmaschinen früher eingesetzten
Massivkolben setzten einem Betrieb bei höheren Drehzahlen Grenzen. Bei
höheren
Drehzahlen ergeben sich Festigkeitsprobleme für die Zylinder und für die Kolben-Rückhalteeinrichtung aufgrund der
hohen auftretenden Flieh- und
Massenkräfte
sowie thermische Probleme an den Berührungsflächen zwischen Kolben und Zylinder
aufgrund der aus den Fliehkräften
resultierenden Reibungskräfte.
Um Axialkolbenmaschinen mit erhöhter
Drehzahl betreiben zu können,
werden daher Hohlkolben mit leichten Füllstücken eingesetzt.
-
Aus der
DE 43 38 457 A1 ist ein
Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale und porösem Kern
sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Bauteil bekannt.
Die Außenschale
des Bauteils besteht dabei aus dichtgesintertem Pulvermaterial.
Der Kern weist zur Aufnahme hoher Flächenpressung der Außenschale
gesinterte Hohlkugeln auf, die lagenweise geschichtet sind und zum
Kernzentrum hin größer werdende
kugelige und polygonale Hohlräume
ausbilden.
-
Weiterhin ist aus der
DE 39 02 032 C2 ein gesintertes
Leichtbaumaterial sowie ein Herstellungsverfahren hierfür bekannt.
Das Leichtbaumaterial besteht im wesentlichen aus einer gitterförmigen Struktur
von Stegen aus intermetallischen Verbindungen, die gleichmäßig verteilte
kugelförmige
Hohlräume
ausbilden, welche ihrerseits wie eine dichteste Kugelpackung angeordnet
sind.
-
Beispielsweise ist aus der
DE 39 19 329 A1 ein
Kolben für
eine Axialkolbenmaschine bekannt, welcher als Hohlkörper ausgebildet
ist, in den ein Einsatzstück
eingesetzt und mittels eines dessen äußere Stirnfläche übergreifenden
Umschlags der das Einsatzstück
umgebenden Wand des Hohlkörpers axial
gesichert ist. Dabei ist der Umschlag durch Einpressen der länger als
endgültig
bemessenen Wand des Hohlkörpers
in mehrere einander gegenüberliegende
Ausnehmungen oder in eine Ringausnehmung des Einsatzstückes und
Ablängen
des so gestalteten Kolbens etwa im Bereich der Ausnehmungen oder
der Ringausnehmung gebildet. Das Einsatzstück ist dabei vorzugsweise aus
Aluminium hergestellt.
-
Nachteilig an dem aus der
DE 39 19 329 A1 bekannten
Kolben ist dabei, daß das
Einsatzstück aus
einem anderen Material als der Hohlkörper des Kolbens besteht, so
daß nachfolgende insbesondere thermische
Bearbeitungsschritte bedingt durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung
nur begrenzt durchführbar
sind. Weiterhin muß daß Einsatzstück paßgenau gefertigt
sein, um Unwucht und Totvolumen zu minimieren, was eine hohe Anforderung
an die Fertigungsverfahren stellt. Die unterschiedlichen Verfahren
zum Abschließen
des Kolbens wie der in der vorliegenden Druckschrift angeführte Umschlag mit
eingepreßter
Ausnehmung oder auch das Verschweißen mit einem Deckel lassen
oftmals große Totvolumina
entstehen.
-
Zwar ist aus der
DE 199 29 760 A1 ein Verfahren
zur Herstellung metallischer, oxydischer oder keramischer Hohlkugeln
bekannt, bei welchem Ausgangsstoffe für die Hüllschicht auf bewegte kugelförmige Trägerelemente
aufgebracht und die so hergestellten Grünlinge nachfolgend pyrolisiert
und gesintert werden. Dabei werden die kugelförmigen Trägerelemente in Bewegung versetzt
und ein flüssiges
bis pastöses
Bindemittel aufgebracht. Gesondert wird mindestens ein trockener,
pulver- oder granulatförmiger
Ausgangsstoff zur Ausbildung der Hüllschicht zugeführt. Nachfolgend
werden die Grünlinge
im wesentlichen in statischer Ruhe gesintert, wobei das Material
der Trägerelemente
vor Abschluß der
Sinterung pyrolisiert wird.
-
Die Verwendung der mittels dem in
der
DE 199 29 760
A1 beschriebenen Verfahren hergestellten Hohlkugeln zum
Befüllen
von Hohlkolben für
Kolbenmaschinen ist dort jedoch nicht beschrieben und wird durch
diese Druckschrift auch nicht angeregt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Hohlkolben zu schaffen, welcher einerseits eine gegenüber einem
Massivkolben reduzierte Masse und andererseits eine hohe Festigkeit
aufweist und ein Verfahren zur Herstellung solcher Hohlkolben anzugeben.
-
Die Aufgabe wird bezüglich des
Hohlkolbens durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs
7 und bezüglich
des Herstellungsverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 22 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der
erfindungsgemäß ausgestalteten
Kolben und des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
-
Der Hohlkolben kann sowohl in einer
Bauweise mit einer angeformten Gelenkkugel als auch in inverser
Bauweise mit einer in ein Lager eingesetzten Gelenkkugel ausgeführt sein.
-
Das Lager kann dabei einstückig mit
dem Hohlkolben verbunden oder als separates Bauteil in diesen eingeschoben
sein. Letztere Ausführungsform
ist besonders vorteilhaft, weil der Hohlkolben dadurch aus einem
einfachen Rohrstück
kostengünstig
herstellbar ist.
-
Weiterhin ist von Vorteil, daß der Hohlkolben je
nach den Anfordernissen an seinem befüllbaren Ende offen gelassen
werden kann oder auch zur Verringerung des Totvolumens oder Erhöhung der
Stabilität
mit einem Deckel versehen sein kann.
-
Auch eine Durchführung des Hydraulikfluids durch
ein Rohr kann bei dichter Kugelpackung mit sehr geringem Totvolumen
in einfacher Weise realisiert werden.
-
Besonders vorteilhaft ist die einfache
Herstellbarkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
und der Darstellung der sich gegenüber dem Stand der Technik ergebenden
Vorteile anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1A–C Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Hohlkolben
in konventioneller Bauweise;
-
2A–E Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Hohlkolben
in inverser Bauweise; und
-
3A–C Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Hohlkolben
in inverser Bauweise mit einer Wandung aus einem Rohrstück.
-
Die in den 1 bis 3 dargestellten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
von Hohlkolben sind insbesondere zur Anwendung in Axialkolbenmaschinen
geeignet. Eine derartige Axialkolbenmaschine kann dabei beispielsweise
in Schrägscheibenbauweise
mit verstellbarem Verdrängungsvolumen
ausgeführt
sein und umfaßt
in bekannter Weise als wesentliche Bauteile ein hohlzylindrisches
Gehäuse,
einen am Gehäuse
befestigten Anschlußblock,
eine Schrägscheibe,
einen Steuerkörper,
eine Triebwelle und eine Zylindertrommel. In der Zylindertrommel
sind Zylinderbohrungen radial gleichmäßig verteilt angeordnet. In
den Zylinderbohrungen sind die in den 1 und 2 näher beschriebenen Hohlkolben
axial verschiebbar angeordnet, wobei sich die in den 1A bis 1C als Kugelköpfe ausgebildeten Gelenkköpfe der
Hohlkolben über
Gleitschuhe an der Schrägscheibe
abstützen.
Die Hohlkolben können
jedoch auch in inverser Bauweise ausgeführt sein, wie in den 2A bis 2E dargestellt, wobei die Gleitschuhe
die als Kugelköpfe
ausgebildeten Gelenkköpfe tragen
und mit diesen in entsprechende Lager der Hohlkolben eingreifen.
-
Um die Axialkolbenmaschinen mit höherer Drehzahl
betreiben zu können,
werden die Kolben als Hohlkolben ausgeführt und mit einem geeigneten Kern
versehen, welcher beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann.
Der Kern dient dabei einerseits der Gewichtsersparnis und andererseits
der Stabilisierung des Hohlkolbens. Die Nachteile solcher ganz oder
teilweise durch einen Kern ausgefüllten Hohlkolben sind vielfältig. Neben
dem erhöhten Fertigungsaufwand
und den dadurch entstehenden Kosten sind insbesondere das Totvolumen,
welches fertigungstechnisch im Kolben verbleibt, die Herstellung
einer zentralen Bohrung sowie der Verschluß des Hohlkolbens mit den dazu
benötigten
Verfahrenstechniken und Bearbeitungsschritten von Nachteil.
-
Erfindungsgemäß wird daher der Hohlkolben 1,
wie in den 1 bis 3 dargestellt, mit einer
Hohlkugelfüllung 2 versehen,
um die im Hohlkolben 1 verbleibenden Hohlräume 3 bzw.
das Totvolumen zu minimieren, die Masse des Hohlkolbens 1 gegenüber einem
Massivkolben zu verringern und trotzdem eine hohe Stabilität des Hohlkolbens 1 zu
erreichen. Weiterhin ermöglicht
die Hohlkugelfüllung 2 den
Durchgang des Hydraulikfluids ohne die Notwendigkeit einer den Hohlkolben 1 durchlaufenden
Bohrung. Wird für
die Hohlkugelfüllung 2 das
gleiche Material wie für den
Hohlkolben 1 verwendet, ist außerdem im Anschluß an die
Füllung
eine Weiterverarbeitung beispielsweise mit Wärmebehandlung in einfacher
Weise möglich,
da sowohl der Hohlkolben 1 als auch die Hohlkugelfüllung 2 aus
dem gleichen Material gefertigt sind und somit gleicher Wärmedehnung
unterliegen.
-
Die Herstellung der Hohlkolben 1 mit
der Hohlkugelfüllung 2 erfolgt
dabei erfindungsgemäß in mehreren
Schritten. Zunächst
wird der Hohlkolben 1 in bekannter weise hergestellt, beispielsweise
durch Drehen. Danach erfolgt die Befüllung mit der aus einzelnen
Hohlkugeln 4 bestehenden Hohlkugelfüllung 2. Die einzelnen
Hohlkugeln 4 können
dabei entweder bereits gesintert sein oder in einem weiteren Herstellungsschritt
in dem Hohlkolben 1 gemeinsam mit diesem gegebenenfalls
unter zusätzlichem
Druck gesintert werden, um eine feste Diffusionsverbindung zwischen
dem Hauptkörper
des Hohlkolbens 1, den Hohlkugeln 4 und einem
eventuell aufzusetzenden Deckel 5 herzustellen. Alternativ
können
die einzelnen Hohlkugeln 4 auch durch Kleben oder Verlöten verbunden
werden.
-
Die einzelnen Hohlkugeln 4 werden
dabei, wie bereits weiter oben beschrieben, z. B. durch ein pulvermetallurgisches
Verfahren hergestellt. Hierbei werden Substratmaterialien wie z.
B. Styropor® mittels
Wirbelbeschichtung in einem kontinuierlichen Warmluftstrom mit einer
Binder-Metallpulversuspension
besprüht
und anschließend
entweder in Form von einzelnen Kugeln oder in einem Verbund wärmebehandelt.
Dabei findet eine Pyrolyse des Styroporkerns und des Binders bzw.
eine Versinterung des Metallpulvers statt, wodurch Hohlkugelformkörper oder
metallische Einzel-Hohlkugeln 4 entstehen.
Für die
Befüllung
der Hohlkolben 1 eignen sich insbesondere die Einzel-Hohlkugeln 4,
welche in einfacher Weise in die Hohlkolben 1 einbringbar
sind.
-
Typische Abmessungen der Hohlkugeln 4 sind
dabei Durchmesser von ca. 0,5 mm bis 10 mm und Wandstärken von
ca. 20 μm
bis 1000 μm.
Der Durchmesser und die Wandstärke
der Hohlkugeln 4 können
dabei gemäß den Hochdruck-Anforderungen frei
gewählt
werden.
-
Die 1A bis 1C zeigen gemäß dem oben genannten
Verfahren hergestellte Hohlkolben 1 für eine Kolbenmaschine wie oben
beschrieben. Die Hohlkolben 1 sind dabei in konventioneller
Weise ausgeführt,
d. h. als Kugelköpfe
ausgebildete Gelenkköpfe 6 der
Hohlkolben 1 stützen
sich über
Gleitschuhe an der Schrägscheibe
der Axialkolbenmaschine ab.
-
Das in 1A dargestellte
Ausführungsbeispiel
zeigt dabei die einfachste Variante eines erfindungsgemäßen Hohlkolbens 1.
Der Hohlkolben 1 umfaßt
einen Hauptkörper 7,
welcher eine sich zumindest über
einen Teil der axialen Länge
des Hauptkörpers 7 erstreckende
Ausnehmung 8 aufweist. Die Ausnehmung 8 kann mittels
spanender oder nichtspanender Verfahren in gängiger Weise hergestellt werden.
Mit dem Hauptkörper 7 ist
in der vorliegenden Bauform des Hohlkolbens 1 der Gelenkkopf 6 ausgebildet,
welcher eine Bohrung 9 aufweist, durch welche das Hydraulikfluid
zum Gleitschuh zum Zwecke der Schmierung und hydrostatischen Entlastung strömt.
-
Die Hohlkugeln 4 der Hohlkugelfüllung 2 werden
nun in die Ausnehmung 8 des Hohlkolbens 1 eingefüllt und
nach angemessener Verdichtung mittels Sintern, Löten oder Kleben miteinander
sowie mit dem Hohlkolben 1 verbunden. Das den Hohlkolben 1 durchfließende Hydraulikfluid
findet zwischen den einzelnen Hohlkugeln 4 genügend Raum,
um zum Gleitschuh zu strömen.
Das Totvolumen des Hohlkolbens 1 ist dabei die Summe aller
zwischen den Hohlkugeln 4 verbleibenden Hohlräume 3.
-
Der Vorteil des in 1A dargestellten Ausführungsbeispiels ist insbesondere
die einfache und damit kostengünstige
Herstellbarkeit.
-
In 1B ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Hohlkolbens 1 in konventioneller Bauweise dargestellt.
Um das Totvolumen weiter zu reduzieren, wird in diesem Ausführungsbeispiel
nach Befüllen
des Hohlkolbens 1 mit Hohlkugeln 4 ein Deckel 5 eingesetzt,
welcher den Hohlkolben 1 abschließt. In dem Deckel 5 ist
eine Bohrung 10 ausgebildet, welche dem Hydraulikfluid
das Zuströmen
in die Ausnehmung 8 des Hohlkolbens 1 ermöglicht.
Um sowohl die Verbindung des Deckels 5 mit dem Hohlkolben 1 als
auch die Verbindung der Hohlkugeln 4 der Hohlkugelfüllung 2 untereinander
sowie mit dem Hohlkolben 1 und dem Deckel 5 zu
erreichen, wird der Hohlkolben 1 gesintert. Dadurch ergibt
sich ein Hohlkolben 1 mit einem sehr geringen Totvolumen,
einer hohen Stabilität
und einer gegenüber
einem Massivkolben deutlich reduzierten Masse. Das Hydraulikfluid fließt wie im
vorigen Ausführungsbeispiel
durch die noch vorhandenen Hohlräume 3 zwischen
den Hohlkugeln 4.
-
1C zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Hohlkolbens 1. Da es in manchen Situationen möglich sein kann,
daß beispielsweise
bedingt durch die zu geringe Größe der Hohlräume 3 zwischen
den Hohlkugeln 4 das Hydraulikfluid nicht mehr genügend ungedrosselt
durch den Hohlkolben 1 strömen kann, kann eine zentrale
Durchgangsbohrung 11 in einem in den Hohlkolben 1 eingesetzten
Rohr 12 vorgesehen sein. Die Befüllung des Hohlkolbens 1 mit
Hohlkugeln 4 erfolgt dann dementsprechend um das Rohr 8 herum. Ebenso
wie im vorigen Ausführungsbeispiel
wird nach der Befüllung
und der Montage des Rohrs 12 und des Deckels 5 der
Hohlkolben 1 gesintert, um die Verbindung zwischen den
einzelnen Bauteilen untereinander, den Hohlkugeln 4 untereinander
sowie zwischen den Hohlkugeln 4 und den genannten Bauteilen
zu erzielen. Das Rohr 12 kann dabei wahlweise den Deckel 5 durch
eine Ausnehmung 13 wie in 1C dargestellt
durchgreifen oder der Deckel 5 und das Rohr 12 können einteilig
unter Einbeziehung der Bohrung 10 ausgeführt sein.
-
Vorteilhaft ist bei diesem Ausführungsbeispiel
insbesondere die effektive Reduzierung des Totvolumens und die hohe
Stabilität
des Hohlkolbens 1.
-
Die 2A bis 2E zeigen Ausführungsbeispiele
für die
inverse Ausführung
der Hohlkolben 1, bei welcher die als Kugelköpfe ausgebildete
Gelenkköpfe 6 mit
Gleitschuhen 14, welche sich an der Schrägscheibe
der Axialkolbenmaschine abstützen, beispielsweise
einstückig
ausgebildet sind und in ein Lager 15 in dem Hauptkörper 7 des
Hohlkolbens 1 schwenkbar eingreifen. Die Gelenkköpfe 6 weisen ebenfalls
eine Bohrung 9 zur Fluidleitung auf.
-
In 2A ist
eine einfache Ausführungsform gezeigt,
welche den Vorteil der einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit hat.
Die Hohlkugelfüllung 2 wird
in die Ausnehmung 8 des Hohlkolbens 1 eingebracht.
Dann wird der Hohlkolben 1 gesintert, um die erforderliche
Verbindung zwischen den einzelnen Hohlkugeln 4 und dem
Hohlkolben 1 herzustellen. Abschließend wird der Gelenkkopf 6 des
Gleitschuhs 14 in das Lager 15 eingesetzt. Wie
in den Ausführungsbeispielen,
welche in den 1A und 1B dargestellt sind, umfließt das Hydraulikfluid
die Hohlräume 3 zwischen
den Hohlkugeln 4.
-
Um das Totvolumen zu reduzieren bzw.
zur Vermeidung möglicher
Rückstände in den
Hohlräumen 3 bei
der Wärmebehandlung,
kann auch, wie in 2B dargestellt,
zwischen der Hohlkugelfüllung 2 und
dem Gelenkkopf 6 ein Deckel 16 eingesintert sein,
welcher ebenfalls eine Bohrung 17 zur Fluidleitung aufweist.
-
Eine ähnlich einfache Ausführungsform
wie in 2A ist in 2C dargestellt, wo das Lager 15 gegen
den Hohlkolben 1 abgeschlossen ist. Diese Form des Hohlkolbens 1 muß zur Fluidleitung
in die Ausnehmung 8 des Hohlkolbens 1 ebenfalls
mit einer Bohrung 17 versehen sein. Das Befüllen des
Hohlkolbens 1 ist dadurch von der gegenüberliegenden Seite mit anschließendem Sintern
wie bei 1A möglich.
-
2D weist
analog zu 1B einen Deckel 5 mit
einer Bohrung 10 auf, welcher zur Reduzierung des Totvolumens
nach der Befüllung
des Hohlkolbens 1 mit Hohlkugeln 4 in den Hohlkolben 1 eingesetzt
und anschließend
durch Sintern mit dem Hohlkolben 1 und den Hohlkugeln 4 verbunden
wird.
-
Ebenso ist in den in 2E dargestellten Hohlkolben 1 in
Analogie zu 1C ein Rohr 12 mit einer
Durchgangsbohrung 11 angeordnet, durch welche das Hydraulikfluid
zum Gleitschuh zum Zweck der Schmierung und hydrostatischen Entlastung strömt. Die
Hohlkugeln 4 sind wiederum kleiner und so eingefüllt, daß sie nach
dem Sintern mit dem Rohr 12, dem Deckel 5 und
dem Hohlkolben 1 sowie untereinander einen Verbund bilden.
-
Die 3A bis 3C zeigen weitere Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäß ausgestalteten Hohlkolben 1 in
inverser Bauweise. Die Ausführungsbeispiele
sind in Analogie zu den in den 2C bis 2E dargestellten Ausführungsbeispielen
zu sehen, wobei in den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
die Wandung des Hauptkörpers 7 aus
einem Rohrstück
geformt ist und eine in den 2C bis 2E einteilig mit dem Hauptkörper 7 des Hohlkolbens 1 ausgebildete
Lagerhülse 18 als
separates Bauteil ausgebildet ist. Die Lagerhülse 18 weist ebenfalls
eine Bohrung 17 auf. Die Verbindung zwischen dem Hauptkörper 7 und
der Lagerhülse 18 kann
wie bei den anderen Bauteilen mittels Sintern hergestellt werden.
-
Vorteil der separaten Lagerhülse ist
insbesondere die einfachere Herstellbarkeit des Hauptkörpers 7 aus
einem Rohrstück,
welche besonders kostengünstig
ist.