DE19939873A1 - Kolben für einen hydraulischen Druckraum - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für einen hydraulischen Druckraum, insbesondere eine Kolbenbohrung einer Teilbelag-Scheibenbremse, wobei der Kolben (1) als einseitig offener topfförmiger Hohlzylinder gestaltet ist und aus einem Metallzuschnitt konstanter Wandstärke in einem Umformverfahren hergestellt ist. Der Kolben (1) besitzt einen mit hydraulischem Druck beaufschlagbaren Boden (2) und eine Kolbenwand (3), die an ihrem offenen Ende in einen Rand (4) übergeht, der eine kreisringförmige Anlagefläche (7) aufweist. Insbesondere in Kenntnis üblicher Gußkolben besteht die Aufgabe darin, einen mittels eines einfachen Umformverfahrens herstellbaren Kolben anzugeben, der unter geringem Materialaufwand möglichst leicht gestaltet ist, ohne die Belastbarkeit des Kolbens einzuschränken. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß der Kolben (1) zumindest einen mit einer Faltung versehenen Abschnitt (X, Y) aufweist, in dem die Dicke der Kolbenwand (3) bzw. des Bodens (2) gegenüber der Dicke der übrigen Kolbenwand bzw. des Bodens erhöht ist und der mehrfachen Wandstärke des Metallzuschnitts entspricht. Damit wird der Kolben vorteilhaft nur in den Bereichen hoher Belastung entsprechend verstärkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen hydraulischen Druckraum, insbesondere eine Kolbenbohrung einer hydraulischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Aus der DE 40 03 731 A1 ist bereits ein kaltverformter Kol­ ben für eine hydraulisch arbeitende Bremse bekannt, der vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt ist, und wel­ cher im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten gegossenen Kolben verhältnismäßig dünnwandig und damit leichter gestaltet ist. Um die Wände des Kolbens bei einer Kraftbeaufschlagung vor Verformung zu schützen, besitzt der bekannte Kolben einen gewölbten Boden und eine an seinem Umfang einrollierte Nut, welche die Form des Kolbens ver­ steifen. Durch die dünnwandige Ausführung derartiger Stahl­ kolben gegenüber solchen im Graugußverfahren hergestellten ergibt sich, daß auch die stirnseitige Anlagefläche des Topfrandes am offenen Kolbenende am Bremsbelag erheblich verkleinert ist gegenüber gegossenen Kolben. Die Folge ist ein hoher Flächendruck, welcher nicht wünschenswert ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß ein derartiger Kolben insbesondere bei dünnwandiger Gestaltung unter Belastung unzulässig hohe Verformungen aufweist.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik besteht die Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mittels eines einfachen Umformverfahrens herstellbaren Kolben anzugeben, der unter geringem Materialaufwand möglichst leicht gestal­ tet ist ohne die Belastbarkeit des Kolbens einzuschränken. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben mit den Merk­ malen des Anspruchs 1. Das Prinzip der Erfindung liegt dar­ in, den Kolben aus einem möglichst dünnwandigen Metallzu­ schnitt konstanter Wandstärke, insbesondere in Form einer Ronde, durch ein spanloses Umformungverfahren, insbesondere ein Kaltverformungsverfahren, herzustellen, um gegenüber bekannten Gußkolben Gewicht einzusparen. Zur Erhöhung der Belastbarkeit des Kolbens wird dieser an den gefährdeten Abschnitten durch Umformmaßnahmen am Metallzuschnitt ver­ stärkt. Besonders vorteilhaft kann der Kolben dabei in den besonders stark belasteten Bereichen mit gefalteten Ab­ schnitten versehen sein, wodurch die Dicke der Kolbenwand bzw. des Kolbenbodens gegenüber der Dicke der übrigen Kol­ benwand bzw. des Bodens erhöht wird. Insgesamt entspricht die Dicke in diesen verstärkten Abschnitten der mehrfachen Wandstärke des Metallzuschnitts. Hieraus ergibt sich gegen­ über bekannten Kolbenausführungen eine erhebliche Gewichts­ einsparung unter Beibehaltung der erforderlichen Kolbenfe­ stigkeit sowie Kolbensteifigkeit.

Als unter Kraftbeaufschlagung stark beanspruchte Bereiche sind vor allem der Rand am offenen Ende des topfförmigen Kolbens sowie der Übergangsbereich zwischen Kolbenwand und Kolbenboden mit derartigen, um die Kolbenachse umlaufenden Faltungen zur Verstärkung dieser Abschnitte versehen. Durch die Faltung am Rand mit einer vorzugsweise Verdopplung der Wandstärke des Metallzuschnitts wird gleichzeitig die am Rand ausgebildete kreisringförmige Anlagefläche vergrößert.

Besonders vorteilhaft läßt sich der neue Kolben in einer hydraulisch arbeitenden Bremse einsetzen. Solche Bremskol­ ben sind üblicherweise mit ihrem Kolbenboden dem hydrauli­ schen Druck ausgesetzt und liegen mit der stirnseitigen An­ lagefläche am offenen Kolbenende an einem Bremsbelag an. Dabei wird der Kolbenrand nach der spanlosen Umformung des rondenförmigen Metallzuschnitts an seiner Stirnfläche vor­ zugsweise einer mechanischen Nachbearbeitung der Stirnflä­ che unterzogen, um die Maßgenauigkeit der glatten Anlage­ fläche zu erhöhen. Die Anlagefläche ist durch die Faltung gegenüber der übrigen Querschnittsfläche der dünnen Kolben­ wand vergrößert und vermindert damit die Flächenpressung am Bremsbelag durch den Kolben.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besitzt der Kolben in seiner Kolbenwand einen radialen Absatz, der zusammen mit dem gefalteten Abschnitt am Kolbenrand eine um die Kolben­ achse umlaufende Nut auf der außenliegenden Kolbenmantel­ fläche ausbildet. Eine derartige Nut kann im eingebauten Zustand des Kolbens in der hydraulischen Bremse insbesonde­ re zur Aufnahme eines Dichtringes oder eines sonstigen Dichtelementes genutzt werden. Eine spanabhebende Nachbear­ beitung des Kolbens zur Erstellung der Nut wie bei bisher bekannten Gußkolben kann damit entfallen. Gleichzeitig dient der umlaufende radiale Absatz auf der Innenseite der Kolbenwand als Abstützfläche für eine sich in das Kolbenin­ nere erstreckende Belaghaltefeder, die den Absatz hinter­ greifen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kolbens ist der Kolbenboden gewölbt ausgebildet, wobei die außen­ liegende Fläche des Bodens eine konvexe Wölbung aufweist. Dadurch kann der Kolben je nach Belastungsanforderung mit sehr geringer Wandstärke und damit minimalem Materialauf­ wand bei lediglich geringfügigen elastischen Verformungen unter Belastung ausgelegt werden.

Eine nähere Erläuterung des Erfindungsgedankens erfolgt nun anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestell­ ten bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen in einem Um­ formverfahren, vorzugsweise in einem spanlosen Kaltverfor­ mungsverfahren, aus einem Metallzuschnitt hergestellten Kolben 1 für eine hydraulische Bremse, insbesondere eine Teilbelagscheibenbremse für Kraftfahrzeuge. Der Metallzu­ schnitt besitzt vorteilhaft die Form einer Ronde von kon­ stanter Wandstärke. Die Formgebung des Kolbens 1, der im wesentlichen als einseitig offener zylindrischer Topf ge­ staltet ist, erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Tiefziehbearbeitung bzw. ein tiefziehähnliches Umformver­ fahren. Der Kolben 1 besitzt einen nach außen gewölbten Kolbenboden 2, der auf diese Weise gegen Verformungen ge­ schützt und damit zur Beaufschlagung mit hydraulischem Druck insbesondere innerhalb einer Kraftfahrzeugbremse ge­ eignet ist, und eine Kolbenwand 3, die am offenen Ende des topfförmigen Kolbens 1 in einen Rand 4 übergeht.

An seinem Rand 4 am offenen Kolbenende besitzt der Kolben 1 einen gegenüber der Kolbenachse 5 um 180° umgefalteten um­ laufenden Abschnitt 6. Durch den mit einer Faltung versehe­ nen Abschnitt X ergibt sich am Rand 4 eine gegenüber der sonstigen Kolbenwand- bzw. Kolbenbodendicke vergrößerte Ma­ terialstärke, die bei einfacher Faltung der doppelten Wand­ stärke des Metallzuschnittes entspricht. Am Rand 4 ist eine kreisringförmige Anlagefläche 7 für einen nicht gezeigten Bremsbelag vorgesehen. Dabei ist die Anlagefläche 7 infolge der Faltung am Rand 4 größer als die sonstige Querschnitts­ fläche der Kolbenwand 3. Diese Anlagefläche 7 entspricht in ihrer Größe im wesentlichen der Größe der Anlagefläche, welche üblicherweise ein im Graugußverfahren hergestellter Kolben aufweist. Das heißt, daß für den erfinderisch ge­ stalteten Kolben trotz seiner dünnwandigen Formgebung bei hydraulischer Druckbeaufschlagung gegenüber einem entspre­ chenden Gußkolben die gleiche bzw. bei Mehrfachfaltung so­ gar eine reduzierte Flächenpressung am Bremsbelag erreicht wird. Die unerwünschte Schädigung möglicherweise verwende­ ter Dämpfungselemente am Bremsbelag kann damit aufgrund ge­ ringer Flächenpressung infolge der großen Anlagefläche 7 unterbunden werden.

Die Kolbenwand 3 weist in der Nähe des Randes 4 einen um die Kolbenachse 5 umlaufende radialen Absatz 8 auf, welcher ebenfalls durch eine spanlose Kaltverformung, beispielswei­ se durch Rollieren, in die Kolbenwand eingebracht wird. Durch den Absatz 8 sowie den umgefalteten Abschnitt 6 am Rand 4 wird auf der außenliegenden Mantelfläche 9 der Kol­ benwand 3 eine umlaufende Nut 10 ausgebildet während auf der radialen Innenseite der Kolbenwand 3 eine Schulter 11 entsteht. Im montiertem Zustand des Kolbens 1 innerhalb ei­ ner nicht gezeigten hydraulischen Bremse kann die Nut 10 zur Aufnahme eines Dichtringes oder eines sonstigen Dichte­ lementes dienen. Die Schulter 11 liefert gleichsam eine einfache Möglichkeit zur Abstützung bzw. Verankerung einer ebenfalls nicht gezeigten bremsbelagseitig befestigten Be­ laghaltefeder, die die Schulter 11 hintergreifen kann.

Allgemein wird der Kolben während seines Herstellprozesses durch spanlose Kaltverformung, insbesondere durch Tiefzie­ hen, eines rondenförmigen Metallzuschnittes konstanter wandstärke in seine einseitig offene Topfform gebracht. Da­ bei können grundsätzlich neben der Kaltverformung auch an­ dere geeignete, spanlose Umformverfahren zum Einsatz gelan­ gen. Anschließend werden die mit Faltungen versehenen Ab­ schnitte X und Y sowie der Absatz 8 vorzugsweise in einer Kombination einer Umformbearbeitung mit einem Rollierver­ fahren in die Kolbenwand 3 bzw. den Kolbenboden 2 spanlos eingeformt. Analog dazu können selbstverständlich auch an­ dere entsprechende Kaltverformungsverfahren angewendet wer­ den. Der weitere Vorteil dieser Kaltverformungsverfahren liegt in der Kaltverfestigung in den umgeformten Kolben­ wandabschnitten. Durch die geometrische Ausbildung (Faltung) und Kaltverfestigung des Kolbenmaterials wird trotz einer Materialbeanspruchung infolge der Verformung während des Herstellprozesses, die erforderliche Festigkeit sowie Steifigkeit des Kolbens erreicht. Dies gilt in beson­ derem Maße für die mit Faltungen versehenen Abschnitte X und Y. Daraufhin wird die bremsbelagseitige Stirnfläche des Randes 4 - vorzugsweise spanend - nachbearbeitet, so daß eine glatte Anlagefläche 7 entsteht, an der der Bremsbelag flächig anliegen kann. Optional kann auch die Nut 10 noch einer mechanischen Nachbearbeitung unterzogen werden, um deren Maßgenauigkeit sicherzustellen.

Gegenüber einem Gußkolben ergeben sich weitere Vorteile wie beispielsweise eine Gewichtsreduzierung um über 100 g pro Kolben, da der kaltverformte Kolben an die Belastungsbedin­ gungen angepaßt sehr dünnwandig gestaltet werden kann. Dar­ über hinaus fallen beim kaltverformten Kolben Lunker- und Porositätsprobleme weg, wie sie bei Gußkolben auftreten. Als bevorzugten Kolbenwerkstoffe für den neuartigen Kolben sollten Stahl oder Niro-Materialien Verwendung finden. Je nach Anwendungsfall ist auch der Einsatz weiterer metalli­ scher Werkstoffe wie z. B. von Nicht-Edelmetallen oder Leichtmetallen (Aluminium) denkbar.

Claims (8)

1. Kolben (1) für einen hydraulischen Druckraum, der als einseitig offener topfförmiger Hohlzylinder gestaltet ist und aus einem Metallzuschnitt konstanter Wandstär­ ke in einem Umformverfahren hergestellt ist, mit einem von hydraulischem Druck beaufschlagbaren Boden (2) und mit einer Kolbenwand (3), die an ihrem offenen Ende in einen Rand (4) übergeht, der eine kreisringförmige An­ lagefläche (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) zumindest einen gefalteten Abschnitt (X, Y) aufweist, in dem die Dicke der Kolbenwand bzw. des Bodens gegenüber der Dicke der übrigen Kolbenwand bzw. des Bodens erhöht ist und der mehrfachen Wand­ stärke des Metallzuschnitts entspricht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (4) am offenen Kolbenende einen um die Kol­ benachse (5) umlaufenden gefalteten Abschnitt (X) mit einer mehrfachen Wandstärke des Metallzuschnitts auf­ weist.

3. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Rand (4) zumindest an seiner Anlagefläche (7) durch eine mechanische Nachbe­ arbeitung geglättet ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) in seinem Übergangsbereich zwischen dem Boden (2) und der Kolbenwand (3) einen um die Kolben­ achse (5) umlaufenden gefalteten Abschnitt (Y) mit ei­ ner mehrfachen Wandstärke des Metallzuschnitts auf­ weist.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kolbenwand (3) einen ra­ dialen nach innen eingeformten Absatz (8) aufweist.

6. Kolben nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenwand (3) an ihrer außenliegen­ den Mantelfläche eine um die Kolbenachse (5) umlaufen­ de Nut (10) aufweist, die vom Absatz (8) und einem um­ gefalteten Abschnitt (6) am Rand (4) begrenzt wird.

7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Boden (2) gewölbt ausge­ führt ist, wobei die außenliegende Fläche des Bodens eine konvexe Wölbung aufweist.

8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) als Bremskol­ ben für eine hydraulische Bremse ausgebildet ist.