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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befestigung eines
Schuhs durch Magnetformung an einem sphärischen Kopf eines
Hydraulikpumpen-Kolbens und ein Verfahren zur Befestigung durch Magnetformung
unter Verwendung dieser Vorrichtung.
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Bekanntlich besteht die Magnetformung oder elektromagnetische Formung
im Prinzip darin, daß Materialien ohne mechanische Berührung durch die
Kräfte elektromagnetischer Felder verformt werden (siehe z.B. FR-A- 1 492
589). Zu diesem Zweck werden die Kondensatoren eines Generators über die
Windungen einer Spule entladen, die ein zu verformendes rohrförmiges Teil
umgibt oder im Inneren desselben angeordnet ist. Diese Entladung erzeugt in
dem zu verformenden Teil während einer sehr kurzen Zeit intensive
oszillierende und stark gedämpfte Induktionsströme.
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Diese Foucault-Ströme erzeugen zusammen mit dem Magnetfeld, das durch
den in der Spule fließenden Strom hervorgerufen wird, sehr starke
Abstoßungskräfte zwischen der Spule und dem Werkstück, das so abgestoßen und
zu dem gewünschten Profil verformt wird.
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Die verwendeten Spannungen können zwischen 3000 und 15000 Volt liegen,
wobei die in der Spule dissipierten Energien etwa 48 Kilojoule erreichen
können und ihre Dauer in der Größenordnung von 100 Mikrosekunden liegt,
was einer momentanen Leistung entspricht, die etwa 480 Megawatt
erreichen kann.
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Die so bewirkten "Schüsse" können entweder mit einer Explosionsspule, die
nur einmal verwendet und nach Gebrauch zerstört wird, oder mit einer
dauerhaften Spule ausgeführt werden, die durch eine geeignete Abstützung in
Position gehalten wird und einen Seüenbetrieb gestattet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Technik der Magnetformung zur
Quetschbefestigung von Schuhen auf sphärischen Köpfen von Kolben für
Hydraulikpumpen anzuwenden. Üblicherweise erfolgt bisher die Quetschbefestigung der
Schuhe auf den sphärischen Köpfen dieser Kolben durch mechanischen
Kontakt (hauptsächlich durch Fließformen), abgeschlossen durch die
Verwendung
von Schleifmittel. Die beiden Teile müssen nämlich mit
kleinstmöglichem Spiel und Gelenkdrehmoment miteinander verstemmt werden, um
eine optimale Leistung der Pumpe zu gewährleisten. Der Kolbenkopf wird zuvor
mit einem Schleifmittelfilm überzogen, oder letzterer wird nach der
Pressung mit Öl injiziert.
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Die Schwierigkeit besteht somit darin, ein Kugelgelenk von sehr guter
Qualität zu erhalten, mit extrem geringem Spiel und Funktionsdrehmoment,
insbesondere mit einem Axialspiel, das praktisch gleich Null ist. Um den Schuh
auf die vollkommen sphärische Form des Kolbenkopfes zu pressen, muß
somit die Pressung extrem stark sein, so daß es anschließend schwierig ist, das
notwendige Spiel wieder herzustellen. Insbesondere hat dieses Verfahren
den Nachteil, daß in dem Schuh Fehler hinsichtlich des Kugelradius
hervorgerufen werden, die auf die Preßtechnik und auf das Vorhandensein von
zwischengefügten Produkten zurückzuführen sind, wodurch sich zu stark
eingeschränkte Radien ergeben, wobei anfangs der "Eindruck" eines korrekten
Axial- und Gelenkspiels hervorgerufen wird. Aber aufgrund dieser Umstände
nutzt sich der Schuh schnell ab, mit dem Ergebnis, daß in der Pumpe sehr
schnell ein Spiel auftritt (beispielsweise 1/10 mm Axialspiel) und ihr Ausstoß
abnimmt.
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Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung, die mit Magnetformung arbeitet, um
die Schuhe auf die sphärischen Kolbenköpfe aufzupressen, um die Vorteile
dieses Verfahrens gegenüber der mechanischen Pressung auszunutzen. Diese
Vorteile sind insbesondere die Abwesenheit von Einflüssen geometrischer
Toleranz zwischen den "Passungsflächen" des Schuhs an dem Preßwerkzeug,
die Abwesenheit von Werkzeugverschleiß und von Spannungen in den nicht
betroffenen Zonen, die extreme Schnelligkeit des Preßvorgangs
(Brutto-Dauer unter 1 ms), die die Serienherstellung mit sehr kurzen Taktzeiten
gestattet, und die gleichzeitige Erzeugung des geforderten Gelenkspiels ohne
nachfolgende Anpassungsbehandlung.
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Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zum Pressen durch Magnetformung
gemäß Anspruch 1 ausgebildet. Ein Verfahren zum Aufpressen eines Schuhs
durch Magnetformung auf einen sphärischen Kopf eines
Hydraulikpumpenkolbens unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 ist in Anspruch
5 angegeben.
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Auf diese Weise wird das gewünschte Spiel durch unterschiedliche
thermische Effekte zwischen dem Kolbenkopf und dem Schuh erhalten.
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Die Heizmittel können durch einen Ofen oder ein System mit einem
fließfähigen Wärmeübertragungsmedium mit geregelter Temperatur gebildet
werden, und die Vorrichtung kann außerdem ein Rohr zur Zufuhr der
aufeinanderfolgenden Kolben nach dem Erhitzen zu der Preßstation aufweisen, sowie
einen Zylinder zum Vorschub der Kolben in dem Rohr und zum
Aufrechterhalten der Kraft zum Einsetzen der Kolben in die Schuhe.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, die ein
Ausführungsbeispiel illustrieren.
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Figur 1 ist eine schematische Seitenansicht einer ersten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Preßvorrichtung.
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Figur 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine vereinfachte Seitenansicht
der Preßstation der Vorrichtung nach Figur 1.
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Figur 3 ist eine Ansicht analog zu Figur 1 für eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Figur 4 ist eine Ansicht analog zu Figur 2 für die Preßstation der
Vorrichtung nach Figur 3.
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Figuren 4A und 4B sind Detailansichten von abgewandelten
Ausführungsformen der Induktorgruppe in Figur 4.
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Figur 5 zeigt teils im Schnitt und teils in der Seitenansicht einen
teilweise weggebrochenen Hydraulikpumpenkolben, auf dessen Kopf gemäß der
Erfindung ein Schuh aufgepreßt worden ist.
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Figur 6 ist ein Axialschnitt durch eine Hydraulikpumpe mit Kolben, auf
die die Erfindung anwendbar ist.
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Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine Station 1 zum Aufpressen
eines Schuhs 2 auf den sphärischen Kopf 3 des zylindrischen Körpers 4 eines
Kolbens 5, der für eine Hydraulikpumpe bestimmt ist, wie sie etwa in Figur 7
gezeigt ist.
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Die Station 1 besitzt eine Induktorgruppe 10, die einerseits zwei ringförmige
Induktionsspulen 7 mit in Reihe ausgerichteter Achse XX, die jeweils mit
einer fest in ein sehr starres Joch eingebetteten ebenen Wicklung 6 versehen
sind, und andererseits ein Feldbündelungsglied 17 aufweist. Letzteres wird
durch eine zwischen den Spulen eingefügte Platte gebildet, die von einer
Mittelöffnung für den Durchtritt eines Schuhs 2 durchsetzt ist und an der auf
jeder Seite die beiden Spulen 7 starr befestigt sind.
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Der Schuh 2 wird durch einen Träger 8 gehalten, und die Spulen 7 werden
durch einen Generator 9 gespeist. Letzterer, der Träger 8 und das
Feldbündelungsglied 17 können in an sich bekannter Weise ausgebildet sein, wobei
das Bündelungsglied beispielsweise durch eine Kupfer-Beryllium-Legierung
gebildet werden kann.
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Die Vorrichtung umfaßt außerdem Heizmittel für den Kolben 5 vor seiner
Einführung in den Schuh 2. Im beschriebenen Beispiel werden diese
Heizmittel durch einen thermostatisch geregelten Ofen 11 zum Erhitzen des
Kolbens 5 gebildet. Dieser Ofen ist mit der Preßstation 1 durch ein Rohr 12 zur
Zufuhr von aufeinanderfolgenden Kolben 5 nach der Erhitzung zu der Station
1 verbunden. Diese Zufuhr kann durch einen Zylinder 13, vorzugsweise einen
Pneumatikzylinder bewirkt werden, dessen Kolbenstange 14 in den Ofen 11
eindringen kann, um die vorgeheizten Kolben 5 in das Rohr 12 zu schieben,
bis ihre sphärischen Köpfe 3 in das Innere der entsprechenden Schuhe 2
eintreten und während der Preßphase mit einer Kraft von etwa 50 daN
angedrückt werden.
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Die Induktorgruppe 10, das Rohr 12 und der Zylinder 13 sind auf der
horizontalen Hauptachse X-X angeordnet, wobei sich die Vorrichtung über
Stützen 15 auf einem Sockel 16 abstützt.
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Der Träger 8 für die Schuhe ist mit Mitteln zum Ausziehen der mit den
aufgepreßten Schuhen 2 versehenen Kolben 5 nach hinten (in Richtung des
Pfeils F) versehen. Der Träger 8 enthält einen (für sich bekannten und nicht
gezeigten) elektrischen Schaltkasten zur Steuerung des Betriebsablaufs des
Generators 9 und zur Energieversorgung des Ofens 11. Dieser Schaltkasten
enthält einen Temperaturanzeiger und ein Überwachungssystem, das angibt,
daß der Kolben 5 in dem Schuh 2 in Position ist, und den automatischen
"Schuß" des Generators 9 in den Spulen 7 auslöst, mit einer Nutzzeit von
beispielsweise etwa 0,1 Sekunden.
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Die Preßstation enthält außerdem einen als "Treibring" bezeichneten Ring 18
aus einem sehr guten elektrischen Leiter wie etwa reinem Kupfer. Dieser
Ring 18 ist so dimensioniert, daß er das auf den Körper 4 des Kolbens 5
gerichtete Ende des Schuhs 2 einspannen und begrenzen kann, und ist
zwischen diesem und dem Feldbündelungsglied 17 eingefügt. Außerdem ist
zwischen dem Treibring 18 und einem am Ende des Schuhs 2 ausgebildeten
vorspringenden umlaufenden Bund 2a ein isolierender Ring 19 eingefügt, der
zum geeigneten Positionieren des Treibrings 18 dient.
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Damit sich der Treibring 18 bei dem "Schuß" des Generators 9 in den Spulen
7 nicht auf dem Schuh 2 verschieben kann, sind außerdem
Unregelmäßigkeiten auf der von dem Treibring 18 eingespannten Außenfläche des Schuhs 2
ausgebildet. Diese Unregelmäßigkeiten können vorzugsweise durch eine
ringförmige Vertiefung 21 gebildet werden, die auf der Seite des Körpers 4 des
Kolbens 5 durch einen endständigen Absatz 22 begrenzt wird (Figur 5).
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Die beschriebene Preßvorrichtung arbeitet wie folgt.
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Da der sphärische Kopf 3 im allgemeinen durch einen geeigneten Stahl
gebildet wird (beispielsweise vergüteten Stahl 100 C6), darf die Temperatur
dieses Kopfes 3 niemals, auch nicht an der Oberfläche, 180º C erreichen. Der
Ofen 11 ist folglich so geregelt, daß im Augenblick der Pressung, nach der
Zufuhr des erhitzten Kolbens 5 durch das Rohr 12, die Temperaturdifferenz
zwischen dem Schuh 2 und dem Kopf 3 in der Größenordnung von ungefähr
100º C liegt (je nach dem gewünschten Spiel).
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Die oben genannte zwingende Begrenzung der Temperatur schließt nebenbei
bemerkt die Heizverfahren aus, die, ohne Kontrollmöglichkeit, diese Grenze
auch nur kurzfristig erreichen könnten, beispielsweise Bestrahlung,
Induktion, ... .
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Vorzugsweise bewirkt der Ofen 11 die indirekte Beheizung der Kolben 5
durch ein fließfähiges Wärmeübertragungsmedium, dessen geregelte
Temperatur streng unterhalb von 180º C liegt. Das gewählte Medium ist so gewählt,
daß es nicht zur Korrosion der Teile führt, wobei diese letzteren aus
rostfreiem Stahl bestehen.
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Man bringt zunächst den Schuh mit seinem Zentrierträger 8 in dem
Induktor 10 gegenüberliegend zum Auslaß des Rohres 12 in Position. Anschließend
bewirkt man mit Hilfe des Zylinders 13 die Zufuhr des heißen Kolbens 5 von
dem Spender-Ofen 11 in das Rohr 12 zu dem Schuh 2.
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Der sphärische Kopf 3 des Kolbens 5 legt sich stoßfrei mit einer
Andruckkraft von etwa 50 daN in die Kugel des Schuhs 2. Der Pressungs-"Schuß"
erfolgt dann automatisch durch Entladung des Generators 9 über die Spulen 7.
Die Andruckkraft kann ohne Nachteile erhöht werden, und 50 daN stellt ein
Minimum für das korrekte Halten der Teile dar.
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Die in den Spulen 7 abgegebene elektrische Leistung ist vorzugsweise höher
als etwa 50 bis 100 % der theoretisch für die Pressung erforderlichen
Leistung. Man erhält so eine extrem anschmiegende Pressung und gleichzeitig
das gewünschte stark verringerte Spiel zwischen dem Kopf 3 und dem Schuh
2, was wiederum ein sehr kleines Gelenkdrehmoment ermöglicht.
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Während der Entladung preßt sich der von dem Treibring 18 eingespannte
Teil des Schuhs 2 eng auf den sphärischen Kopf 3, und der Treibring 18
kommt an der Vertiefung 21 und dem Absatz 22 zur Anlage. Nach dem
"Schuß" und dem Ausziehen der gepreßten Einheit werden der Treibring 18
und der Ring 19 mit Hilfe eines geeigneten, nicht gezeigten Werkzeugs, das
für jede Art von gepreßten Einheiten spezifisch und von der Preßvorrichtung
gesondert ist, von dem Schuh 2 abgezogen.
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Nach dem Pressen des Schuhs 2 ist keinerlei Nachbearbeitung der einander
zugewandten Oberflächen des Kopfes 3 und des aufgepreßten Schuhs 2
erforderlich. Die Preßzone weist keinerlei Fehler (wie etwa Risse oder Sprünge)
auf, und das Spiel sowie das entsprechende Gelenkdrehmoment, die beide
extrem vermindert sind, werden in einem einzigen Vorgang erhalten, ohne
daß eine spätere Nacheinstellung des Gelenkspiels erforderlich ist.
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Die erhaltenen Gelenk- und Axialspiele liegen praktisch in der Nähe von Null.
Als Zahlenbeispiel kann für einen sphärischen Kopf 3, dessen Durchmesser
zwischen etwa 4,77 und 4,79 mm liegt, die Energie, die den Spulen 7 von
dem Generator 9 zugeführt wird, 1,3 Kilojoule betragen. Das erhaltene
Axialspiel ist kleiner oder gleich 0,01 mm, und das entsprechende
Gelenkdrehmoment ist kleiner oder gleich 0,003 mN.
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Ebenfalls als Anhaltspunkt haben Versuche gezeigt, daß man nach 100
Stunden Dauerbetrieb unter schwierigen Bedingungen an einer Pumpe PF100
Axialspiele von 10 bis 30 Mikrometer erhält, für Spiele von 0 bis 5
Mikrometer nach dem Pressen.
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Die in Figuren 3 und 4 gezeigte Vorrichtung besitzt eine Preßstation 1A, in
der die Pressung mit einer als "verlorene" Spule oder Explosionsspule
bezeichneten Spule 7A ausgeführt wird. Diese Ausdrücke werden gebraucht als
Gegensatz zu den Spulen 7, die aufgrund ihrer robusten Konstruktion mit in
ein festes Joch eingebetteten Wicklungen 6 und aufgrund der Hinzufügung
des Bündelungsgliedes 17 als "dauerhaft" bezeichnet werden.
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In diesem Fall ist die von dem Generator 9 gespeiste Spule 7A nicht mehr in
einen Träger eingebettet, sondern sie wird einfach durch eine zylindrische
Wicklung aus lackiertem Kupferdraht gebildet, die nur einmal verwendet
wird. Sie kann so wie sie ist um den Treibring 18 herum angeordnet werden
und wird bei dem Preßvorgang zerstört.
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Um die Herstellung und Anbringung zu erleichtern, kann die Wicklung der
Spule 7A beispielsweise auf eine Hülse 30 aus Pappe oder Kunststoff
aufgeklebt werden (Figur 4A) oder auch an einen Kunststoffkörper 31 angeformt
werden (Figur 48).
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Diese Variante bietet den Vorteil einer einfachen und schnellen Herstellung
für wenige Preßvorgänge, wobei der Verbrauch einer Spule pro Preßvorgang
in Kauf genommen werden muß.
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Die Durchführung des Preßvorgangs bleibt ähnlich derjenigen bei einer der
vorstehenden Ausführungsformen, je nach Wahl des Gelenkspiels durch den
thermischen Effekt.
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Die gepreßten Einheiten werden den folgenden Kontrollen unterzogen:
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1) Einheitsbezogene Kontrolle von:
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- Gelenkdrehmoment,
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- Axialspiel,
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- Verifizierung der Abwesenheit von Rückverformungsnssen.
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2) Entnahme eines Elements aus dem Produktionslos für einen axialen
Schnitt durch die Einheit. Die Untersuchung des Schnittes gestattet
es, die innere Geometrie der Preßverbindung und die Abwesenheit
von Rückständen zwischen den Gelenkoberflächen zu verifizieren.
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Die Figur 6 zeigt eine Hydraulikpumpe 20, die mit einer Serie von Kolben 5
ausgestattet ist, die koaxial zu ihrer Hauptachse YY angeordnet sind und bei
denen die Erfindung anwendbar ist. Diese Pumpe 20 ist von an sich
bekannter Bauart und wird deshalb nicht im einzelnen beschrieben. Es wird
lediglich darauf hingewiesen, daß die Schuhe 2, die auf die Köpfe 3 der Kolben 5
aufgepreßt sind, in Gleitberührung mit einer Fläche 25 stehen, die unter
einem geeigneten Winkel zur Achse YY geneigt ist.