Kolbenanordnungeinerhydraulischen Kolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung einer hydraulischen Kolbenmaschine, beispielsweise einer Axial- oder Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der DE 102 35 813 B4 ist eine Axialkolbenmaschine gezeigt, bei der eine Vielzahl von Kolben in einer Zylindertrommel verschiebbar angeordnet sind. Diese Kolben sind mit ihrem von einem Kolbenraum entfernten Endabschnitt über jeweils einen Gleitschuh an einer Schrägscheibe abgestützt, so dass bei einer Rotation der Zylindertrommel die Kolben in der Zylindertrommel einen Hub durchführen, um Druckmittel anzusaugen und zu verdichten. Die Steuerung der Druckmittelzufuhr und -abfuhr erfolgt über eine stirnseitig an der Trommel angeordnete Steuerscheibe. Bei der bekannten Lösung sind die an der Schrägscheibe anliegenden Gleitflächen der Gleitschuhe durch lokales Aufschmelzen mit einer Beschichtung versehen, über die der Gleitschuhverschleiß minimiert ist. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand für diese Beschichtung erforderlich ist. Ein derartiges Verfahren eignet sich auch nur für Gleitschuhe aus Metall oder Nichteisenmetall.

In der US 6,183,212 Bl ist eine als Benzinpumpe verwendete Radialkolbenpumpe offenbart, bei der die Gleitschuhe aus Kunststoff hergestellt sind und auf Kugelköpfe der Kolben aufgeclipst werden. Die verwendeten Kunststoffmaterialien sind hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit ausgewählt und müssen eine entsprechende Elastizität aufweisen, um den Gleitschuh aufclipsen zu können.

Bei einem Aufführungsbeispiel wird das Aufclipsen durch Ausbilden von elastischen Zungen im Aufclipsbereich vereinfacht. Aufgrund der erforderlichen Elastizität des auf den Kolben aufgesetzten Gleitschuhbereichs kann es bei ungünstigen Betriebsbedingungen vorkommen, dass sich die Gleitschuhe von den Kolben lösen, so dass die Pumpe vorzeitig verschleißt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für das Aufclipsen der Gleitschuhe auf die Kolben ein vergleichsweiser hoher Montageaufwand erforderlich ist.

In der US 3,183,848 ist eine Axialkolbenpumpe gezeigt, bei der die Gleitschuhe mittels Metallklammern auf den Kolbenfuß befestigt werden. Durch diese Metallklammer kann zwar eine vergleichsweise zuverlässige Verbindung zwischen Kolben und Gleitschuh gewährleistet werden, nachteilig ist jedoch, dass die Montage durch die zusätzlich zu montierende Metallklammer aufwendiger als beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine zu schaffen, bei der der Fertigungsaufwand vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindunggemäße Kolbenanordnung hat einen Kolben, der gelenkig mit einem Gleitschuh verbunden ist. Dieser Gleitschuh wird durch Spritzgießen direkt an den Kolben angespritzt, so dass kein eigener Verfahrensschritt erforderlich ist. Da in diesem Fall der Kolben selbst ein Teil der Spritzgießform ist, kann eine äußerst präzise Passung im Anlenkbereich des Gleitschuhs an den Kolben

gewährleistet sein, die eine zuverlässige Verbindung auch, dann ermöglicht, wenn die Kolbenoberfläche im Verbindungsbereich außerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, da durch das direkte Anspritzen des Gleitschuhs diese Toleranzen ausgeglichen werden.

Der den Gleitschuh tragenden Kolbenfuß ist vorzugsweise kugelförmig ausgebildet und vom Gleitschuh formschlüssig umgriffen, so dass ein zerstörungsfrei nicht lösbares Kugelgelenk gebildet wird.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Kolben und der Gleitschuh von einem Kanal mit einer Düse durchsetzt, der in der Gleitfläche mündet. Bei diesem Kanal wird Druckmittel aus dem Kolbenraum in den Gleitbereich geführt, so dass der Anpressdruck des Gleitschuhs an der Schrägscheibe verringert und entsprechend der Verschleiß minimiert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann die vorgenannte Düse entweder im Kolben oder im Gleitschuh ausgebildet sein.

Da der Kolben und der Gleitschuh während der Rotation einer Zylindertrommel der Kolbenmaschine relativ zueinander verschwenkt werden, müssen der im Gleitschuh gelegene Teil und der im Kolben gelegene Teil des Kanals so ausgebildet sein, dass während dieser Relativverschwenkung die Druckmittelverbindung zur Gleitfläche geöffnet bleibt. Bei einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird dies dadurch ermöglicht, dass im Übergangsbereich zwischen Kolben und Gleitstück eine trichterförmige Erweiterung ausgebildet ist, deren Öffnung an den maximalen Schwenkwinkel während der Relativverschwenkung dieser Bauelemente angepasst ist.

Zur weiteren Abstützung der Gleitschuhe kann an deren Außenumfang eine Ringstirnfläche ausgebildet sein, die etwa in der gleichen Ebene, wie die dem Kolben zuweisende Mündung des den Gleitschuh durchdringenden Kanalabschnitts, liegt. Diese Ringstirnfläche kann beispielsweise durch eine Ringnut ausgebildet werden.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Gleitschuh aus PEEK hergestellt ist. Dieses Material zeichnet sich durch gute Spritzbarkeit, geringen Schwund während des ErstarrungsVorganges und hohe Verschleißfestigkeit aus, und ist daher für die erfindungsgemäße Gleitschuhkonstruktion besonders geeignet.

Der Kolben kann auch aus Kunststoff hergestellt werden, so dass beispielsweise Kolben und Gleitschuh in einem Werkzeug nacheinander gespritzt werden können.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Kolbenanordnung 1, wie sie bei einer Axialkolbenmaschine einsetzbar ist. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus derartiger Axialkolbenmaschinen sei auf die Fachliteratur, bespielsweise die eingangs genannte DE 102 35 813 B4 verwiesen. Die Kolbenanordnung 1 besteht aus einem Kolben 2 der mit einem Gleitschuh 4 versehen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Kolben aus einem CrMo-Stahl, der Gleitschuh 4 ist aus einem verschleißfesten Thermoplast, beispielsweise verstärkten PEEK hergestellt. Wie im folgenden noch näher erläutert wird, besteht die Besonderheit darin, dass dieser Gleitschuh 4

direkt an den Kolben 2 angespritzt wird und somit zuverlässig mit diesem verbunden ist.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Kolbenanordnung 1 gemäß Figur 1. Demgemäß hat der Kolben 2 einen zylindrischen Abschnitt 6, der über eine Einschnürung 8 in einen kugeligen Kolbenfuß 10 übergeht. Der Kolben 2 wird in Axialrichtung von einer Axialbohrung durchsetzt, die zu einer Ringstirnfläche 12 des Kolbens 6 hin zu einem Raum 14 erweitert ist. Im Bereich des Kolbenfußes 10 ist die Axialbohrung zu einer Düse 16 verengt, die axial über eine trichterförmige Erweiterung 18 in einem abgeflachten Stirnbereich 20 des Kolbenfußes 10 mündet. Die Geometrie der Abflachung 20 ist so gewählt, dass deren Umfangskante die Mündung der Erweiterung 18 umgreift.

In dem Raum 14 kann ein Saugventil-Ventilkörper der Axialkolbenmaschine geführt sein.

Der kugelige Kolbenfuß 10 taucht in einem kugelkalot- tenförmigen Verbindungsabschnitt 22 des Gleitschuhs 4 ein, wobei dieser Verbindungsabschnitt 22 den Außenumfang des Kolbenfußes 10 über seinen maximalen Durchmesser hinaus übergreift, so dass Gleitschuh 4 und Kolbenfuß 10 durch die Hinterschneidung zuverlässig miteinander verbunden sind. Die Wandungsstärke S des Verbindungsbereichs 22 ist dabei so gewählt, dass sich der Gleitschuh 4 während des Betriebs der Kolbenmaschine nicht durch elastische Verformung vom Kolben 6 abziehen lässt, das Lösen dieser Verbindung ist somit nur gewaltsam möglich - eine derartige Belastung tritt im normalen Betrieb der Pumpe jedoch nicht auf.

An die trichterförmige Erweiterung 80 schließt sich im Gleitschuh 4 ein Kanalabschnitt 24 an, der über eine

Tasche 26 in einer Gleitfläche 28 des Gleitschuhs 4 mündet, mit der dieser auf einer Schrägscheibe der Axial- kolbenmaschine aufsitzt. Der Durchmesser des Kanalabschnitts 24 ist größer als der Durchmesser der Düse 16 gewählt und so ausgelegt, dass auch bei einer Relatiwer- schwenkung zwischen Kolben 2 und Gleitschuh 4 (siehe Figur 3) der Druckmittelströmungspfad durch die Kolbenanordnung hindurch geöffnet bleibt. Das heißt bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht auch bei Relativverschwenkung eine teilweise Überdeckung zwischen dem Kanalabschnitt 24 und der trichterförmigen Erweiterung 18. Die einen Ventilsitz für das Saugventil ausbildende Ringstirnfläche 12 mit den daran angrenzenden Stirnflächenbereichen des Raums 14 begrenzt einen Arbeitsraum in einer Zylindertrommel der Axialkolbenmaschine, in der eine Vielzahl der vorbeschriebenen Kolbenanordnungen axial bewegbar geführt sind. Durch den vorbeschriebenen Druckmittelströmungspfad (Raum 14, Düse 16, Erweiterung 18, Kanalabschnitt 24 und Tasche 26) kann Druckmittel aus diesem Arbeitsraum zur Gleitfläche 28 gelangen, so dass auf den Gleitschuh eine Art Gegendruck wirkt, der die Anpresskraft auf die Schrägscheibe verringert, wobei sich im Anlagebereich ein Film ausbildet, der die Reibung des Gleitschuhs 4 zusätzlich verringert, so dass dessen Verschleiß minimal ist.

Wie Eingangs erläutert, wird der Gleitschuh 4 direkt an den Kolbenschuh 6 angespritzt. Dazu wird der Kolben 6 oder bei einer Mehrfachform eine Vielzahl von Kolben 6 in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und gegebenenfall der kugelige Kolbenfuß 10 mit einem Trennmittel bestrichen. Die Trennebene sei dabei so gewählt, dass sie sich senkrecht zur Zeichenebene in Figur 2 durch die Mittelachse 25 erstreckt. Das Anspritzen erfolgt vorzugsweise in dem zum Kolben 6 gewandten Bereich, Figur 2 zeigt eine bevorzugte Lage dieses Anspritzpunktes, der mit dem Bezugszei-

chen 29 versehen ist. Die Schmelze umströmt dann den kugelförmigen Kolbenfuß 10 und füllt die Werkzeugkavität aus, so dass die sich in Figur 2 dargestellte Hinter- schneidung ausbildet. Um ein Zusetzen der Düse 16 zu vermeiden, wird in diesem Bereich ein Formstift eingesetzt, durch den dann auch die Kontur des KanalabSchnitts 24 und gegebenenfalls der Tasche 26 ausgebildet wird.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenumfang des Gleitschuhs 4 im rechten Bereich (Ansicht nach Figur 2) zurückgesetzt, so dass eine Ringstirnfläche 30 ensteht, die zur Vermeidung von übermäßigen Kerbkräften über eine Rille 32 in die sich anschließende zylindrische Umfangsflache übergeht. An dieser Ringstirnfläche 30 und an der sich anschließenden, zurückgesetzten Zylinderfläche kann ein Haltemittel abgestützt werden, über dass die Gleitschuhe 4 der Axialkolbenpumpe mit Bezug zu einer Antriebswelle in Axialrichtung und in Drehrichtung festgelegt und in Richtung auf die Schrägscheibe vorgespannt sind.

In den Figuren 3 und 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung 1 dargestellt, wobei Figur 4 einen Figur 2 entsprechenden Längsschnitt zeigt und Figur 3 den Kolben 6 und den Gleitschuh 4 dieser Kolbenanordnung bei einer Relativverschwenkung.

Der Grundaufbau des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiels entspricht weitestgehend dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, so dass hier nur die Unterschiede erläutert werden und desweiteren werden für einander entsprechende Bauelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Gleitschuh 4 durch Spritzgießen direkt an den Kolben 2 angespritzt, so dass der Kolbenfuß 10 des Kolbens 2 von dem kugelkalottenförmigen

Verbindungsbereich 22 umgriffen ist. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei der in Figur 3 und 4 dargestellten Variante die Düse 16 nicht im Kolben 2 sondern in dem Gleitschuh 4 ausgebildet. Entsprechend mündet die Düse 16 über die ebenfalls am Gleitschuh 4 ausgebildete trichterförmige Erweiterung 18 in dem den Kolbenfuß 10 formschlüssig umgreifenden Teil des Verbindungsbereichs 22. In dem Kolbenfuß 10 ist dann ein Kanalabschnitt 24 ausgebildet, der einerseits im Scheitel des Kolbenfußes 10 und andererseits in dem Raum 14 mündet. Der Durchmesser des Kanalabschnitts 24 ist wiederum größer als derjenige der Düse 16 ausgelegt, die in einer Tasche 26 der Gleitfläche 28 mündet. Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass bei einer Relativverschwenkung zwischen dem Kolben 2 und dem Gleitschuh 4 die Überdeckung zwischen dem Kanalabschnitt 24 und dem Mündungsbereich der trichterförmigen Erweiterung 18 erhalten bleibt, so dass der Druckmittelströmungspfad von dem von der Stirnseite des Kolbens 2 begrenzten Arbeitsraum zur Gleitfläche 28 hin geöffnet bleibt.

Die Herstellung erfolgt ähnlich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, wobei durch den den Kolben 2 stirnseitig verschließenden Formstift die trichterförmige Erweiterung 18 und die Düse 16 im Gleitschuh 4 ausgeformt sind. Der Anspritzpunkt 29 liegt wieder im gleichen Bereich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbespiel. Bei dem dargestellten Ausführungsbespiel ist die Ringstirnfläche 30 durch eine Ringnut 34 ausgebildet, die in dem radial zurückgesetzten zylindrischen Abschnitt des Gleit- schuhs 4 eingebracht ist, in die entstehende Ringnut 34 kann das vorbesehrlebende Verbindungsmittel der Axialkolbenmaschine eingreifen. Bei diesem Ausführungsbespiel liegt in der kugelfußseitige Mündungsbereich der trichterförmigen Erweiterung 18 in der gleichen Ebene in der die Ringstirnfläche 80 liegt. Dieses Merkmal ist auch bei

dem in Figur 1 und 2 dargestellten Ausführungsbespiel erfüllt.

Durch das direkte Anspritzen des Gleitschuhs 4 an den Kolben 2 und die vorbeschriebene stabile Ausführung des Verbindungsbereichs 22 mit vergleichsweiser großer Wandstärke wird eine zuverlässige Verbindung zwischen Kolben 2 und Gleitschuh 4 ermöglicht. Des weiteren muss kein zusätzlicher Arbeitsschritt zum Aufsetzen des Gleitschuhs 4 auf den Kolben 2 vorgesehen werden, so dass auch der fertigungstechnische Aufwand gegenüber den herkömmlichen Lösungen erheblich verringert ist. Bei geeigneter Verfah- rungsführung kann auch auf die Verwendung eines Trennmittels verzichtet werden, der Spritzgießvorgang muss dann- so eingestellt werden, dass sich die gewünschte Gleitpassung zwischen Kolbenfuß 10 und Gleitschuh 4 einstellt. Selbstverständlich kann an Stelle der vorbeschriebenen Materialpaarungen (kohlefaserverstärktes PEEK, CrMo- Stahl) auch eine andere geeignete Materialkombination verwendet werden, die ein direktes Anspritzen oder Anformen des Gleitschuhs 4 an den Kolben 2 ermöglicht. So kann auch der Kolben 2 im Spritzgießverfahren aus Kunststoff hergestellt werden, wobei das Werkzeug durch durch Schieben eine Herstellung sowohl des Gleitschuhs als auch des Kolbens ermöglichen kann. Dabei kann zunächst der Kolben und dann der Gleitschuh durch Anspritzen hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist aber auch die umgekehrte Abfolge möglich.

Offenbart ist eine Kolbenanordnung einer hydraulischen Kolbenmaschine, beispielsweise einer Axialkolbenmaschine, wobei an einem Kolben ein Gleitschuh angesetzt ist. Erfindungsgemäß wird dieser Gleitschuh direkt, beispielsweise durch Spritzgießen an den Kolben angeformt.

Bezugszeichenliste:

1 Kolbenanordnung

2 Kolben

4 Gleitschuh

6 zylindrischer Kolbenabschnitt

8 Einschnürung

10 Kolbenfuß

12 Ringstirnfläche

14 Raum

16 Düse

18 Erweiterung

20 Abflachung

22 Verbindungsbereich

24 Kanalabschnitts

25 Mittelachse

26 Tasche

28 Gleitfläche

29 Anspritzpunkt

30 Ringstirnfläche

32 Rille

34 Ringnut