Bezeichnung Pulvermetallurgisch hergestellter Kolbenkörper mit Stützstegen und Verfahren zu seiner Herstellung Beschreibung Aus EP-A-0 658 611 ist ein Stoßdämpferkolben bekannt, der einen Kolbenkörper aufweist, der auf seiner Umfangsfläche mit einem umlaufenden Steg versehen ist, an den sich eine Viel- zahl von in Achsrichtung verlaufenden Stegen auf einer Seite des umlaufenden Stegs anschließt. Auf diesen Kolbenkörper ist im Spritzgießverfahren eine Dichtung aus thermoplasti- schem Kunststoff aufgespritzt, wobei insbesondere die sich in axialer Richtung erstreckenden Stege mit ihren dazwischen liegenden, voll mit Dichtungswerkstoff ausgefüllten Nuten der zuverlässigen Verankerung des Dichtungswerkstoffs und der Führung des Kolbens dienen. Die im Spritzguß aufgebrachte Dichtung ermöglicht eine enge Tolerierung, um das sogenannte "blow-by"zu vermeiden und so eine zuverlässige Abdichtung der einander zugeordneten Zylinderräume zu bewirken. Das Ver- fahren zur Herstellung-derartiger spritzgegossener Dichtun- gen ist verhältnismäßig aufwendig.

Aus US-A-3 212 411 ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung be- kannt, deren Kolbenkörper auf seiner Umfangsfläche eine Viel- zahl von umlaufenden Rillen aufweist. Zum Aufbringen der Dichtung ist ein napfförmiger Vorformling aus PTFE (Poly- tetrafluorethylen) vorgesehen, der zunächst auf den Kolben- körper lose aufgesetzt wird. Der so vorbereitete Kolbenkörper wird anschließend zunächst in einen hoch aufgeheizten Form- und Kalibrierzylinder eingedrückt, wobei unter Wärmeeinfluß das PTFE-Material in die Rillen auf der Umfangsfläche des Kolbenkörpers eingepreßt wird. Anschließend wird der Kolben- körper mit der aufgepreßten Dichtung in einem entsprechend ausgebildeten Kühlzylinder abgekühlt. Die Rillen sind voll- ständig mit dem Dichtungswerkstoff ausgefüllt, um so eine formschlüssig-feste Verbindung der Dichtung mit der Umfangs-

fläche des Kolbenkörpers zu bewirken. Für den Einsatz als Stoßdämpferkolben muß anschließend noch die die Stirnfläche des Kolbenkörpers auf einer Seite überdeckende Bodenfläche des Vorformling entfernt werden.

Aus EP-A-682 190 ist ein Stoßdämpferkolben bekannt, der sich in seiner Herstellung von dem vorstehend beschriebenen Ver- fahren im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß zum Aufbringen der Dichtung statt eines napfförmigen Vorformlings eine gestanzte Kreisringscheibe eingesetzt wird. Diese Kreis- ringscheibe wird auf ein Ende des Kolbenkörpers aufgesetzt.

Der so vorbereitete Kolbenkörper wird wiederum in einen auf- geheizten Form-und Kalibrierzylinder eingepreßt, wobei die Kreisringscheibe als Band auf die Umfangsfläche des Kolben- körpers umgelegt und anschließend in die in Umfangsrichtung des Kolbenkörpers verlaufenden Rillen unter Wärmeeinfluß ein- gepreßt wird. Anschließend wird der mit seiner aufgepreßten Dichtung versehene Kolben durch ein Kühlrohr geführt. Der Dichtungswerkstoff füllt auch hierbei die Rillen praktisch vollständig aus, so daß die Dichtung formschlüssig-fest mit der Umfangsfläche des Kolbenkörpers verbunden ist.

Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahren weisen den Nachteil auf, daß für das Umformen und das vollständige Ein- pressen des Dichtungsmaterials in die Rillen auf der Umfangs- fläche des Kolbenkörpers erhebliche Preßdrücke erforderlich sein können und das die Dichtung bildende Dichtungsmaterial starken Umformungen unterworfen wird, die nachteilig die Struktur des Dichtungswerkstoffs beeinflußt.

Aus DE-A-198 47 342 ist ein Kolben für eine Kolben-Zylinder- Anordnung, insbesondere Stoßdämpferkolben bekannt, mit einem Kolbenkörper, der auf seiner Umfangsfläche in einem an ein Kolbenende angrenzenden Bereich mit einem umlaufenden, die Umfangsfläche überragenden Umlaufsteg versehen ist, an den sich in Richtung auf das andere Kolbenende erstreckende, par- allel mit Abstand nebeneinander angeordnete längslaufende

Stützstege anschließen, wobei jeweils zwei benachbarte Stütz- stege eine nutförmige Ausnehmung begrenzen, die an ihren dem Umlaufsteg abgewandten Enden in Längsrichtung offen sind, und mit einer manschettenförmigen Dichtung aus einem warmverform- baren Dichtungsmaterial, die auf den Kolbenkörper so aufge- formt ist, daß sowohl der Umfangssteg als auch die Stützstege nur über einen Teil ihrer Höhe in das Material der Dichtung eingeformt sind.

Diese vorbekannte Lösung hat gezeigt, daß es für eine gute Abdichtung zwischen der manschettenförmigen Dichtung des Kol- bens einerseits und der Außenkontur des Kolbenkörpers ande- rerseits nicht erforderlich ist, daß die Dichtung auf dem vollen Umfang dicht am Kolbenkörper anliegt. Es genügt für eine Reihe von Einsatzfällen, wenn die Dichtmanschette in Um- fangsrichtung nur auf dem relativ schmalen Umlaufsteg fest anliegt. Es hat sich ferner überraschenderweise herausge- stellt, daß es für eine einwandfreie und zuverlässige Verbin- dung zwischen Dichtung und Kolbenkörper nicht erforderlich ist, daß die nutförmigen Ausnehmungen zwischen den längslau- fenden Stützstegen vom Dichtungsmaterial vollständig ausge- füllt sind. Somit verbleibt ein genügender Freiraum, in den das Dichtungsmaterial bei Ausdehnungen infolge Temperaturer- höhungen ausweichen kann, wobei der Kolben jedoch über die längslaufenden Stützstege einwandfrei geführt ist.

Die Anordnung nur eines, die Umfangsfläche überragenden Um- laufstegs zur Fixierung der manschettenförmigen Dichtung kann unter Umständen nicht ausreichen, so daß die Anordnung von zwei jeweils endseitigen Umlaufstegen wünschenswert ist, die durch die längslaufenden, mit Abstand parallel zueinander an- geordneten Stützstege verbunden sind. Die pulvermetallurgi- sche Herstellung eines derartigen Kolbenkörpers durch Pressen eines Grünlings aus einem sinterbaren Metallpulver mit an- schließendem Sintern bereitet jedoch erhebliche formungstech- nische Probleme, so daß in die DE-A-101 08 246 vorgeschlagen wurde, den Kolbenkörper in zwei Teilkörper zu unterteilen,

die jeweils an einem Ende einen Umlaufsteg aufweisen, von dem aus die längslaufenden und mit Abstand zueinander angeordne- ten Stützstege ausgehen. Die beiden Teilkörper können ohne große Schwierigkeiten jeweils aus einem sinterbaren Metall- pulver zu Grünlingen geformt und dann gesintert werden. Der vollständige Kolben wird dann aus den beiden fertig gesinter- ten Teilen in der Weise zusammengesetzt, daß die Umlaufstege jeweils an dem der Teilungsebene abgewandten Kolbenende ange- ordnet sind. Durch eine Abschrägung der Stützstege an ihrem der Teilungsebene zugekehrten Ende ist es dann möglich, noch eine zusätzliche Quernut vorzusehen. Der Nachteil dieser Kon- zeption besteht in einem aufwendigen Fügeverfahren für die beiden Teilkörper, wenn diese in einer definierten Zuordnung zueinander zusammengefügt werden müssen. Dies ist beispiels- weise bei Kolbenkörpern für Stoßdämpferkolben der Fall, da hierbei die in den beiden Teilkörpern vorhandenen Teilkanäle genau fluchtend sein müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfacher herzustellenden Kolben, insbesondere Stoßdämpferkolben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen einteili- gen Kolbenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolben- körpers ist im Anspruch 3 angegeben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgen- den Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Unteran- sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen Teilschnitt in Achsrichtung durch eine Kolben-Zylinder-Anordnung für einen Stoßdämpfer,

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines fertig gesinterten Rohligs für einen Stoßdämpfer, Fig. 3 einen schematischen Horizontalschnitt durch den Rohling gemäß der Linie III-III in Fig. 2 ohne Dichtmanschette, Fig. 4 eine Seitenansicht eines fertig geformten Kol- benkörpers, teilweise im Schnitt, mit aufge- brachter Dichtmanschette, Fig. 5 einen Teilschnitt gem. Fig. 4 in vergrößerter Darstellung, Fig. 6 eine Vorrichtung zum Formen von Quernuten und Kalibrieren eines Kolbenkörperrohlings als Schritt des Herstellungsverfahrens, Fig. 7 die Vorrichtung gemäß Fig. 6 während des For- mungs-und Kalibrierschrittes, Fig. 8 die Vorrichtung gem. Fig. 6 am Ende des For- mungs-und Kalibrierschrittes, Fig. 9 einen Vertikalschnitt durch die Formungsstati- on des Werkzeuges gem. Fig. 6 mit eingelegtem Rohling beim Formungsprozeß, Fig. 10 in vergrößerter Darstellung die Ausbildung des Prägewerkzeuges, Fig. 11 eine Aufsicht auf die Formungsstation gem.

Fig. 9 mit einer Anordnung der Prägewerkzeuge.

Fig. 1 zeigt als Funktionsschema einen axialen Schnitt durch einen Stoßdämpfer, der zwei relativ zueinander bewegbare Tei- le, beispielsweise eine Fahrzeugachse und einen Fahrzeugrah- men miteinander verbindet. Der Stoßdämpfer weist einen Zylin- derteil 1 auf, der mit einem der beiden relativ zueinander bewegbaren Teile verbunden ist. Im Zylinder 1 ist ein Kolben 2 geführt, der an einer Kolbenstange 3 befestigt ist, die mit ihrem freien Ende am anderen Teil der beiden relativ zueinan- der bewegbaren Teile festgelegt ist. Der Zylinder 1 ist hier- bei beidseitig geschlossen und mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so daß die Kolben-Zylinder-Anordnung doppelt wirkend ausgelegt ist, wobei der Kolben zwei Zylinderräume 4,5 vor- einander trennt.

Der Kolbenkörper 6 des Kolbens 2 weist mehrere nebeneinander verlaufende Durchtrittskanäle 7,8 auf. Die Durchtrittskanäle 7,8 sind jeweils auf ihrer in der Funktion noch zu erläu- ternden Austrittsseite mit einem Drosselventil 7.1 bzw. 8.1 abgedeckt. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß je- weils mehrere Durchtrittskanäle 7 und mehrere Durchtrittska- näle 8 alternierend um die Zylinderachse angeordnet vörgese- hen sind.

Die Umfangsfläche des Kolbens 2 ist mit einer manschettenför- migen Dichtung 9 versehen, die für eine Abdichtung des Zylin- derraums 4 gegenüber dem Zylinderraum 5 sorgt. Bei einer Be- wegung des Kolbens 2 in den Zylinderraum 4 hinein, wird die Flüssigkeit durch die Durchtrittskanäle 7 gegen die Rück- stellkraft der Drosselventile 7.1 gepreßt. Die Durchtritts- öffnungen 8 werden hierbei durch den auf die Drosselventile 8.1 lastenden Druck des Flüssigkeitsraums 4 verschlossen ge- halten. Bei einer Bewegung in umgekehrter Richtung werden die Durchtrittskanäle 7 durch die Drosselventile 7.1 geschlossen, während die Flüssigkeit durch die durchströmenden Kanäle 8 aus dem Zylinderraum 5 in den Zylinderraum 4 zurückströmen kann.

Da nun ein derartiger Kolbenkörper, wie vorstehend angegeben, hin und her bewegt wird und bei hohen Beanspruchungen die manschettenförmige Dichtung 9 auch bei der Rückbewegung ent- sprechend belastet wird, reicht ein endseitiger Umlaufsteg an einem Ende des Kolbenkörpers für eine sichere Fixierung der manschettenförmigen Dichtung gegenüber Belastung in axialer Richtung unter Umständen nicht mehr aus. Um nun einen derar- tigen Kolbenkörper in einteiliger Form so herstellen zu kön- nen, daß zusätzliche Quernuten zur Fixierung der manschetten- förmigen Dichtung vorhanden sind, wird zunächst aus sinterba- rem Metallpulver ein Grünling in der in Fig. 2 dargestellten und nachstehend noch näher erläuterten Form gepreßt und an- schließend zu einem Rohling 6.1 fertig gesintert.

Der Rohling 6.1 ist auf seiner Umfangsfläche mit einer Viel- zahl von längslaufenden Stützstegen 10 versehen, die jeweils entsprechende nutförmige Ausnehmungen 11 begrenzen und die sich von der Stirnfläche 4.1, der ein Umlaufsteg 12 zugeord- net ist, bis an das andere Ende des Rohlings 6.1 im Bereich nahe der Stirnfläche 5.1 erstrecken. Der Umlaufsteg 12 und die längslaufenden Stützstege 10, die eine Außenfläche des Kolbenkörpers 6 bilden, sind niveaugleich. Aus Gründen einer besseren Darstellung ist diese Außenfläche mit einer Schraf- fur versehen. Die Stützstege 10 und entsprechend die Nuten 11 verlaufen achsparallel.

In Fig. 3 ist der Kolbenkörper 6 in einem Horizontalschnitt gem. der Linie III-III in Fig. 2 dargestellt, so daß die Struktur von Stützstegen 10 und Nuten 11 erkennbar ist.

In Fig. 4 ist der Kolbenkörper 6 teilweise im Schnitt und in der Seitenansicht ohne Dichtung 9 in seiner endgültigen Form nach dem Einbringen von Quernuten 11.1 auf der Oberfläche der Längsstege 10 dargestellt. Die Quernuten 11.1 werden durch ein Prägeverfahren, wie nachstehend noch erläutert werden wird, in den gesinterten Rohling 6.1 eingebracht, der dann nach dem Prägeverfahren noch kalibriert wird. Auf den so

fertiggestellten kalibrierten Kolbenkörper 6 wird dann die Dichtung 9 aufgebracht.

Die auf dem Umfang des Kolbenkörpers 6 angeordnete manschet- tenförmige Dichtung 9 besteht aus einem warmverformbaren Kunststoff, vorzugsweise aus PTFE. Die manschettenförmige Dichtung 9 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch Warmumformung auf den Kolbenkörper 6 aufgeformt worden.

Bei der Warmumformung des Dichtungsmaterials, das aus einer vorkonfektionierten Kreisringscheibe oder einem vorkonfek- tionierten Rohrstück bestehen kann, werden die Stützstege 10 und der Umlaufsteg 12 nur über einen Teil ihrer Höhe in das Material der manschettenförmigen Dichtung 9 eingeformt, so daß zwischen dem Material der Dichtung 9 und dem Boden nut- förmigen Ausnehmungen 11 noch ein gewisser Freiraum ver- bleibt, so daß beim Formen der Dichtung 9 das Dichtungsmate- rial frei und ohne Zwängung in die Nut 11 einfließen kann.

Bei diesem Umformungsvorgang wird die zylindrische Außenflä- che 13 der Dichtung 9 gleichzeitig kalibriert, so daß die ge- wünschten Toleranzen zum Innendurchmesser des Zylinders 1 eingehalten werden können. Da insbesondere bei der Verwendung einer derartigen Kolben-Zylinder-Anordnung als Stoßdämpfer im Betrieb eine Erwärmung des Gesamtsystems auftritt, erlaubt dieser verbleibende Freiraum im Nutgrund innerhalb gewisser Grenzen auch eine Ausdehnung des Dichtungsmaterials in die Nut hinein, so daß der Verschleiß der Dichtung auf der an die Ränder angrenzenden zylindrischen Umfangsfläche der Dichtung 9 herabgesetzt wird. Der Kolben 2 ist über seine Höhe insge- samt praktisch kippfrei abgestützt. Die Dichtung 9 stützt sich an dem einen Nutenenden auf der Innenseite des Umlauf- stegs 12 ab.

In Fig. 5 ist die Positionierung der Dichtung 9 in stark ver- größertem Maßstab in einem Teilschnitt entsprechend Fig. 4 dargestellt. Die Dichtung 9 besteht hierbei aus einem homoge- nen Material, das bei der vorbeschriebenen Warmumformung

teilweise in die längsverlaufenden Nuten 11 und die Quernuten 11.1 eingeformt wird, während andererseits sich die längslau- fenden Stützstege 10 sowie der Umlaufsteg 12 entsprechend in das Material einformen. Zur Verdeutlichung ist das in die längslaufende Nut 11 eingeformte Material mit einer Kreuz- schraffur versehen, um deutlich zu machen, daß die längsver- laufenden Nuten 11 nicht vollständig ausgefüllt werden.

Um bei der Warmumformung das Material der Dichtung 9 in der längslaufenden Nut 11 im Übergangsbereich B zum Umlaufsteg 12 nicht überbeanspruchen, ist hierbei vorgesehen, daß die längslaufende Nut 11 in diesem Bereich in Richtung auf den Umlaufsteg 12 eine abnehmende, d. h. reduzierte Tiefe auf- weist. Die so bewirkte Reduzierung der axialen Stützfläche für das Dichtungsmaterial am Umlaufsteg 12 wird durch die zu- sätzlichen, in Axialrichtung wirkenden Stützflächen der Quer- nuten 11.1 kompensiert und der Vorteil gewonnen, daß in die- sem im späteren Betrieb hochbeanspruchten Bereich das Materi- al durch die Warmumformung in seinem Gefüge geringer bean- sprucht ist und somit eine höhere Standfestigkeit aufweist.

Anhand der Fig. 6,7 und 8 wird das erfindungsgemäße Verfah- ren zur Herstellung eines Kolbenkörpers der in Fig. 4 gezeig- ten Form näher erläutert. Nachdem zunächst in einem ersten Schritt aus einem sinterbaren metallurgischen Pulver ein Grünling entsprechend Fig. 2 gepreßt und anschließend zu einem Rohling 6.1 fertig gesintert worden ist, werden, wie in Fig.

6 dargestellt, jeweils aus einem Vorrat S1 von Rohlingen 6.1 ein Rohling 6. la entnommen und einer Preßeinrichtung P zuge- führt, die eine erste Preßstelle I und eine zweite Preßstelle II aufweist.

Die erste Preßstelle I ist neben dem üblichen Oberstempel 15.1 und Unterstempel 16 mit radial geführten Prägewerkzeugen 14 versehen, über die, wie nachstehend noch näher erläutert werden wird, die Quernuten 11.1 in die Stützstege 10 einge- bracht werden.

Der im voraufgegangenen Prägeschritt in der Preßstelle I mit Quernuten versehene Rohling 6. 1b wird dann der zweiten Preß- stelle II zugeführt, in der der so vorbereitete Rohling 6. 1b sowohl in bezug auf die Kolbenendflächen als auch in bezug auf den äußeren Umfang des Umlaufsteges und der Stützstege entsprechend zu einem fertigen Kolbenkörper 6 kalibriert wird. Dieser Vorgang ist in Fig. 7 dargestellt.

In der Preßstelle II ist dem beweglichen Oberstempel 15.2 ist ein Unterstempel 16.2 zugeordnet, dessen Formoberfläche der Formoberfläche des einzulegenden Rohlings 6. la bzw. 6. 1b ent- spricht. In der ersten Preßstelle I wird durch den bewegbaren Stempel 15.1 und durch den feststehenden Gegenstempel 16.1 der Rohling 6. la praktisch nur gehalten, während in der zwei- ten Preßstelle II der Preßstempel 15.2 in der Weise mit Druck beaufschlagt wird, daß eine kalibrierende Endverformung des eingelegten Rohlings 6. 1b zur Bildung des fertigen Kolbenkör- pers 6 stattfindet.

Wie in Fig. 8 dargestellt, werden anschließend die Preßstem- pel 15 zurückgezogen und über ein Ausstoßwerkzeug 17 an bei- den Preßstellen der jetzt mit Quernuten versehene Rohling 6. 1b und der fertig kalibrierte Kolbenkörper 6 aus der Preß- form ausgeschoben, so daß der Rohling 6. 1b zur Preßstelle II transportiert werden kann und der fertige Kolbenkörper 6 in einem Lager S2 abgelegt werden kann, aus dem dann die ferti- gen Kolbenkörper für das Aufbringen der manschettenförmigen Dichtung 9 entnommen werden.

In Fig. 9 ist in einem Vertikalschnitt durch die erste Preß- stelle I die Anordnung mit eingelegtem Rohling 6. la darge- stellt. Der eingefahrene Oberstempel 15. 1 ist hierbei nicht dargestellt. Die Prägewerkzeuge 14 sind in das Material der Stützstege 10 eingedrückt und die Quernuten 11.1 geformt.

Dies ist der vergrößerten Darstellung in Fig. 10 zu entneh- men.

Die radial zustellbaren Prägewerkzeuge 14 sind schieberartig ausgebildet und, wie aus den Fig. 6,7, 10 und 11 ersichtlich, radial gegen den Rohling 6. la zustellbar. Bei der hier darge- stellten Ausführungsform sind drei Prägewerkzeuge 14 vorgese- hen, die im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Je nach Größe kann die Anordnung von mehr als drei Prä- gewerkzeugen vorgesehen werden. Die Anordnung von nur zwei diametral gegenüberliegenden Prägewerkzeugen ist zwar grund- sätzlich möglich.

Wie aus der vergrößerten Darstellung gem. Fig. 10 ersicht- lich, weist jedes Prägewerkzeug 14 für die Einformung von je- weils zwei Quernuten 11.1 in die Stützstege 10 eines Rohlings 6.1 zwei parallele schneidenartige Prägekanten 18 auf, durch die bei Druckbeaufschlagung der Prägewerkzeuge 14 unter Kalt- verformung des gesinterten Materials entsprechend Fig. 7 Ma- terial verdrängt wird und die Quernuten 11.1 gebildet werden.

Wie Fig. 10 erkennen läßt, erfolgt diese Kaltumformung nur über einen Teil der Gesamthöhe der Stützstege 10, so daß die Quernuten 11.1 entstehen, die eine geringere Tiefe aufweisen als die Nuten 11.

Der Form-und Kalibriervorgang kann auch mit nur einer Preß- stelle ausgeführt werden, die im Aufbau im wesentlichen der Preßstelle I entspricht. Lediglich der Oberstempel und der Unterstempel sind entsprechend dem Oberstempel 15.2 und dem Unterstempel 16.2 ausgebildet. Dementsprechend wird im ersten Schritt der Rohling 6. la vom Oberstempel und Unterstempel nur fixiert, so daß die Quernuten 11.1 eingeformt werden können.

Anschließend werden die Prägewerkzeuge 14 zurückgezogen und der Druck auf Oberstempel und Unterstempel erhöht und der Rohling kalibriert und erst dann der Form als fertiger Kol- benkörper entnommen.

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