CH714075A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kugel-Gelenk-Verbindung sowie Kugel-Gelenk-Verbindung. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kugel-Gelenk-Verbindung umfassend ein erstes Gelenkteil mit einem Kugelkopf und ein zweites Gelenkteil mit einer Kugelkopfaufnahme, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Vorfertigung des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils, wobei wenigstens ein definierter Oberflächenbereich des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils mit Übermass (20) vorgefertigt wird, Oberflächenhärtung des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils, Endformung des ersten und/oder zweiten Gelenkteils aus dem gehärteten Rohgelenkteil durch Abtragen des überschüssigen Materials an dem wenigstens einen mit Übermass (20) gefertigten definierten Oberflächenbereich und Zusammenfügen der Gelenkteile durch Kaltumformung wenigstens eines Gelenkteiles zur Fixierung der Kugel-Gelenk-Verbindung.

Description

Beschreibung [0001 ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kugel-Gelenk-Verbindung umfassend ein erstes Gelenkteil mit einem Kugelkopf und ein zweites Gelenkteil mit einer Kugelkopfaufnahme.

[0002] Gattungsgemässe Kugel-Gelenk-Verbindungen sind im Maschinenbau hinlänglich bekannt. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Kolbenmaschinen, bei denen die Kolben mit Gleitschuhen zur hydrostatischen Entlastung von Triebwerken und Stelleinheiten versehen werden. Die Verbindung zwischen den Kolben und seinem Gleitschuh erfolgt durch eine Kugel-Gelenk-Verbindung.

[0003] Kolben-Gleitschuh-Einheiten, bei denen der Kugelkopf stoffschlüssig mit dem Gleitschuh verbunden ist und entsprechend die Kugelkalotte am Kolben sitzt, erfordern einen höheren Herstellungsaufwand, ermöglichen allerdings höhere Schrägwinkel (auch Anstellwinkel genannt) der Gleitschuhlauffläche. Das Betreiben von Kolbenmaschinen bei höheren Schrägwinkeln führt zu besseren Wirkungsgraden und zu einer Vergrösserung ihrer Leistungsdichte. Die in Triebwerken von Kolbenmaschinen eingesetzten Kolben-Gleitschuh-Einheiten werden alternierend durch hohe Zug- und Druckkräfte beansprucht, die in axialer und vertikaler Richtung wirken. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind als Ursache hierfür zu nennen: - Im Motorbetrieb erfolgt auf der Hochdruckseite eine Beaufschlagung der Kolben-Gleitschuh-Einheit durch den Öldruck. - Im Pumpenbetrieb wird auf der Hochdruckseite ausgehend von den Kolben der Druck auf das Öl ausgeübt, während auf der Niederdruckseite die Kolben den zur Ölansaugung notwendigen Unterdrück erzeugen und dadurch einer Zugkraft unterliegen. - Unabhängig davon, ob eine Kolbenmaschine als Pumpe oder Motor betrieben wird, treten Reibungskräfte zwischen der Seitenwand des Kolbens und der Triebwerklaufbuchse auf; ebenso zwischen der Gleitschuhlauffläche und ihrer Auflagefläche.

[0004] Die resultierenden Axial- und Radialkräfte belasten eine Kolben-Gleitschuh-Einheit und dabei auch die im besonderen Fokus stehende Kugel-Gelenk-Verbindung nicht nur durch hohe Absolutwerte, sondern mitunter auch durch besonders schnelle Änderungen dieser Kräfte, sogenannter Transienten. Letztere entstehen unter anderem durch niemals vollständig vermeidbare Druckpulsationen im Hydraulikölkreis; ebenso im Fall eines Pumpenbetriebs durch transiente Änderungen der zugeführten mechanischen Leistung und bei vorliegendem Motorbetrieb durch transiente Änderungen der mechanischen Last.

[0005] Wie bei allen rotierenden Maschinen kann auch bei Kolbenmaschinen bis zu einem gewissen Grad eine erhöhte Leistungsfähigkeit kostengünstiger durch spezielle Massnahmen, die den Betrieb bei höheren Drehzahlen erlauben, erreicht werden anstatt die Maschine von vornherein für einen Arbeitsbereich, der höhere Drehmomente ermöglicht, auszulegen. Allerdings führt eine Drehzahlerhöhung zu einer Vergrösserung der von den Kolben-Gleitschuh-Einheiten ausgehenden Fliehkräfte, die einerseits den Kolben und den Zylinder direkt mechanisch und indirekt mechanisch-thermisch aufgrund des Anstiegs der Reibungskraft belasten sowie eine stärkere mechanische Beanspruchung der Kolbenrückzugeinrichtung inklusive der Kugel-Gelenk-Verbindungen der Kolben-Gleitschuh-Einheiten bewirken.

[0006] Eine in mehrfacher Hinsicht wirkungsvolle Massnahme zur Erhöhung des zulässigen Drehzahlbereichs von Axialkolbenmaschinen ist die Gewichtsreduzierung der im Triebwerk eingesetzten Kolben, was die von diesen ausgehenden Fliehkräfte und damit auch die genannten negativen Folgeeffekte kompensieren kann. Seit langem werden daher die in Triebwerken verwendeten Kolben in Leichtbauweise als Hohlkolben ausgeführt, wobei der Hohlraum öldicht verschlossen ist. Auch wenn die Gewichtsreduzierung der Kolben durch die Schaffung grosser Hohlräume eine Absenkung der den Kolben belastenden Kräfte erwirkt, liegt zwischen der Leichtbauweise und der Dauerhaltbarkeit der Kolben ein Zielkonflikt vor. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen mit einem Hohlraum 4 versehenen Kolben 1 einer Gleitschuh-Kolben-Einheit, wobei der Gleitschuh mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet ist. Bei der Zusammenfügung der Kugel-Gelenk-Verbindung wird der überstehende Bund 1a der Aussparung zur Aufnahme des Kugelkopfes 2a entsprechend verformt, wodurch im Umformbereich eine innere Oberfläche entsteht, die eine formgenaue Fortsetzung der Kugelkalotte 1 b zur Umschliessung des Gelenkkopfes 2a darstellt. Hier abgebildet ist ein geeignetes Werkzeug 5 zur Formung des Bundes 1a. Klarerweise sollen der Kugelkopf 2a und die Kugelkalotte 1b zur Reibungsreduzierung und einer weitest möglichen Verschleissvermeidung glatte Oberflächen aufweisen. Darüber hinaus müssen der Kugelkopf 2a und die Wand der Kugelkalotte 1b eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit sich die Oberflächen im Verbindungsbereich der Kugel-Gelenk-Verbindung während der Nutzung möglichst überhaupt nicht ändern und das Brechen der Verbindung vermieden wird.

[0007] Der Umformbereich des überstehenden Bunds 1a der Aussparung zur Umschliessung des Kugelkopfes 2a stellt einen Schwachstellenbereich einer Kugel-Gelenk-Verbindung dar. Durch Krafteinwirkungen zwischen dem Kugelkopf 2a und der Kugelkalotte 1b besteht eine besondere Gefährdung eines Materialbruchschadens im Umformbereich. Durch Druckkräfte zwischen dem Kugelkopf 2a und der Kugelkalotte 1b kann deren Oberfläche nach dem Prinzip des sogenannten Eierschaleneffektes einbrechen. Neben derart offensichtlichen Defekten können bereits während der Fertigung beim Einfügen des Kugelkopfes 2a Mikrorisse auftreten. Das Ausbrechen von Werkstoff oder Werkstoffanteilen beim Einfügen und über der Nutzungsdauer führt auch im Fall geringer Mengen zu einer schleichenden, jedoch progressiven Schädigung, was eine rasche Alterung der Gelenk-Verbindung auslöst. Statt eines Materialbruchs oder Abriebs kann eine schleichend fortschreitende Aufweitung des Umformbereichs entstehen. In Anbetracht der langen Nutzungsdauer von in kommerziellen

Anwendungen eingesetzten Kolbenmaschinen, beispielsweise in der Bauform einer Axialkolbenmaschine in der Funktion als Hydraulikpumpe oder Hydraulikmotor in einer mobilen Arbeitsmaschine, müssen bei den Kugel-Gelenk-Verbindungen ihrer Kolben-Gleitschuh-Einheiten durch eine entsprechende Bauteilequalität auch die schleichenden Schädigungen verhindert werden, zumal sich diese progressiv fortsetzen und zu einer verfrühten Zerstörung der betroffenen Kolben-Gleit-schuh-Einheit, respektive zu einem verfrühten Ausfall der mobilen Arbeitsmaschine führen können.

[0008] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine entsprechende Kugel-Gelenk-Verbindung bzw. ein passendes Herstellungsverfahren für eine Kugel-Gelenk-Verbindung aufzuzeigen, mit dem die voranstehend beschriebenen Nachteile bisheriger Lösungen des Standes der Technik überwunden werden können.

[0009] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0010] Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kugel-Gelenk-Verbindung, die aus einem ersten Gelenkteil mit einem Kugelkopf und einem zweiten Gelenkteil mit komplementärer Kugelkopfaufnahme besteht. Auch wenn eingangs zunächst Bezug auf eine derartige Verbindung zwischen einem Kolben und einem Gleitschuh einer Axialkolbenmaschine genommen worden ist, soll die vorliegende Erfindung keineswegs beschränkt auf eine derartige Anwendung sein, denn die erfindungsgemässe Lösung lässt sich gleichermassen für jegliche Kugel-Gelenk-Verbindung einsetzen, die durch die eingangsgenannten Nachteile betroffen ist.

[0011] Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, ein erstes und/oder zweite Rohgelenkteil der Kugel-Gelenk-Verbindung in einem Vorfertigungsschritt zu erstellen. Beispielsweise soll aus einem Rohkörper mittels spanabhebenden Verfahren, wie Bohren oder Drehen, ein Rohling des ersten und/oder zweiten Gelenkteils geschaffen werden. Hierbei werden definierte Oberflächenbereiche des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils jedoch gezielt mit Übermass vorgefertigt, während vorzugsweise die verbleibenden Teilbereiche des jeweiligen Rohgelenkteiles vorzugsweise bereits mit ihrem Endmass gefertigt werden.

[0012] Im Anschluss erfolgt eine Oberflächenhärtung des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils.

[0013] Im Anschluss an den Härtungsprozess erfolgt die Endformung des ersten und/oder zweiten Gelenkteils. Hierbei wird zumindest das überschüssige Material an dem wenigstens einen mit Übermass gefertigten definierten Oberflächenbereich des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils abgetragen. Der Materialabtrag kann mittels spanabhebenden Verfahren erfolgen. Durch den nachfolgenden Materialabtrag kann die zuvor erzielte Oberflächenhärtung wieder kontrolliert reduziert werden. Im Endergebnis wird ein erstes und/oder zweites Gelenkteil geschaffen, das sich durch Teilbereiche seiner Oberfläche mit unterschiedlichem Härtegrad auszeichnet. Ein herausragendes Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass sich durch diese Vorgehensweise Oberflächenbereiche, die in unmittelbarer Umgebung bzw. Nachbarschaft liegen, mit unterschiedlicher Materialhärte erzeugen lassen.

[0014] Im letzten Schritt erfolgt dann das Zusammenfügen der Gelenkteile und eine entsprechende Umformung wenigstens eines Gelenkteils zum Fügen der Kugel-Gelenk-Verbindung. Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann nun sichergestellt werden, dass sich der zu verformende Bereich des Gelenkteiles durch eine reduzierte Oberflächenhärte auszeichnet. Die damit einhergehende ausreichende Duktilität des Materials in diesem Bereich stellt die wesentliche Voraussetzung für eine rissfreie, plastische Verformbarkeit des Materials dar, wodurch auch eine Kaltumformung, z.B. durch Einrollen, Walzen oder Biegen des Gelenkteils, ohne Materialschwächung möglich wird. Die übrigen Teilbereiche des Gelenkteils, zumindest diejenigen Teilbereiche, die besonders stark durch die im Betrieb auftretenden Axial- und Radialkräften belastet sind, weisen durch den Härtungsprozess eine ausreichende Oberflächenhärte auf. Dort wo nötig bzw. sinnvoll, können die gehärteten Oberflächen durch geeignete Verfahren und Massnahmen zwecks Reduzierung von Reibung und Verschleiss besonders stark geglättet werden.

[0015] Insbesondere weist die Kugelkopfaufnahme des zweiten Rohgelenkteils nach der Vorfertigung eine Kalottenform auf, an die sich ein überstehender Bund anschliesst. Dieser überstehende Bund soll nach dem Zusammenfügen der Gelenkteile durch Umformung derart verformbar sein, sodass dieser zumindest teilweise den aufgenommenen Kugelkopf hintergreift. Demzufolge soll die Verformung des überstehenden Bundes die Kalottenform zur Aufnahme des Kugelkopfes vervollständigen, sodass eine ausreichende Stabilität der Gelenkverbindung erzielt werden kann. Es kann daher zweck-mässig sein, wenn zumindest ein Teilbereich des überstehenden Bundes mit Übermass vorgefertigt wird, sodass nach dem Härtungsprozess mittels entsprechendem Materialabtrag die zunächst dadurch an der bestehenden Oberfläche erzielte Materialhärtung wieder reduziert werden kann, wodurch für den nachfolgenden Umformprozess auch im Fall einer Kaltumformung eine rissfreie plastische Verformbarkeit des Bundes durch dessen ausreichend hohe Duktilität sichergestellt werden kann.

[0016] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahren erfolgt die Vorfertigung des Rohgelenkteiles mit Übermass derart, so dass die den Kugelkopf nach der Kaltumformung hintergreifende und kontaktierende Oberfläche des Bundes einen Teilabschnitt mit gegenüber dem verbleibenden Abschnitt der den Kugelkopf nach der Kaltumformung kontaktierenden Oberfläche höherer Oberflächenhärtung umfasst. Einerseits soll der Gefügebereich des Werkstücks (Bund), in dem die Kaltumformung unmittelbar erfolgt, eine vergleichsweise geringe Härte aufweisen. Andererseits besteht nach dem Einfügen des Kugelkopfes in die Kugelkopfaufnahme und der Kaltumformung des Bundes eine Kontaktfläche des hier angesprochenen Teilbereiches zum Kugelkopf. Indem bei der vorbereitenden Formgebung des Rohgelenkteils ein entsprechend ausgewähltes Aufmass vorgesehen wird, kann nach der im Anschluss an den Härteprozess erfolgenden Materialabnahme ein Teil der gehärteten Zone entfernt werden und demzufolge eine gehärtete Schicht einer vorgesehene Dicke htf erhalten bleiben. Der Teilabschnitt reicht bevorzugt nicht an das dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes heran, ausgeschlossen ist dies jedoch nicht.

[0017] Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste und/oder zweite Gelenkteil aus einem Material mit hoher Duktilität gefertigt sind. Für dieses Material muss jedoch mittels eines geeigneten Härtungsprozesses eine ausreichende Oberflächenhärte erzielbar sein. Der Härtungsprozess erfolgt üblicherweise mittels Wärmebehandlung. Geeignete Verfahren sind bspw. Nitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrokarbonieren oder Plasmanitrieren.

[0018] Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Kugelkopfaufnahme des zweiten Rohgelenkteiles, d.h. die die Ausnehmung/Aufnahme bildende Oberfläche bzw. Wandung des Rohgelenkteils, mit einem wulstartigen Übermass vorgefertigt, insbesondere mit einer ringförmigen Wulst, die sich entlang der die Kalottenform bildenden Oberfläche des zweiten Gelenkteiles erstreckt.

[0019] Nach dem Härtungsprozess kann das am Bund die Wulst bildende Material im Zuge der Endfertigung abgetragen werden, so dass am Bund entlang dieses Längenabschnitts die Materialhärte reduziert wird. Gemäss bevorzugter Ausgestaltung kann der Materialabtrag entlang des Wulst soweit fortschreiten, dass diese nicht nur vollständig abgetragen wird, sondern letztendlich eine ringförmige Nut innerhalb der die Kugelaufnahme bildenden Oberfläche entsteht. Durch den vergleichsweise hohen Materialabtrag entsteht demzufolge eine Nut, deren Oberfläche eine stark reduzierte Material härte aufweist. Insbesondere wird hierbei eine ringförmige Innennut innerhalb der die Kugelkalotte bildenden Oberfläche des zweiten Gelenkteils erzeugt. Zweck dieser Gestaltung ist eine Verhinderung, dass beim Einfügen des Gelenkkopfes die von den Werkzeugen einzubringenden Kräfte in denjenigen Wandbereich eingeleitet werden, der bereits formgenau an den Kugelkopf angepasst ist oder gar eine Verformung in diesem Bereich erwirkt wird. Letzteres würde klarerweise zu einer tendenziellen Verklemmung der Kugelkopfverbindung führen. Allein das Einleiten von Kräften in diesen gehärteten und damit spröden Bereich könnte das Herausbrechen kleiner Mengen von Werkstoff oder Werkstoffanteilen auslösen.

[0020] Gemäss bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das wulstartige Übermass mit tangentenstetigen Übergängen ausgestaltet, d.h. die Kontur der Wulst weist keinerlei oder zumindest wenig Kanten auf und ist demzufolge durch eine weitgehend reduzierte kantenlose Kontur gekennzeichnet.

[0021] Gemäss einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein Gelenkteil der erfindungsgemässen Kugel-Gelenk-Verbindung, insbesondere das zweite Gelenkteil, zylinderförmig oder annähernd zylinderförmig vorgeformt. Dies kann insbesondere bei der Fertigung der im einleitenden Teil diskutierten Kolben-Gleitschuh-Einheit der Fall sein, wobei der zweite Gelenkteil hier dem Kolben einer Kolbenmaschine entspricht. Ein Teil der äusseren Zylinderwand des Rohgelenkteils bildet einen Teil des herausragenden Bundes. Die äussere Zylinderwand wird dann im Bereich des Bundes während der Endformung bereichsweise abgetragen, so dass hier eine Oberfläche mit reduzierter Härte für die nachfolgende Kaltumformung entsteht. Demgegenüber ist die verbleibende äussere Zylinderwand durch die während des Härtungsprozesses maximal erzielbare Oberflächenhärte gekennzeichnet.

[0022] Es ist zudem vorstellbar, dass die äussere Zylinderwand im Bereich des Bundes mit grösserem Durchmesser gefertigt ist, um durch grösseren Materialabtrag eine weitergehende Reduzierung der Oberflächen härte sicherzustellen.

[0023] Neben dem erfindungsgemässen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenso eine Kugel-Gelenk-Verbindung bestehend aus zwei Gelenkteilen, mit einem ersten Gelenkteil, das einen Kugelkopf aufweist, und einem zweiten Gelenkteil, das eine Kugelkopfaufnahme vorsieht. Erfindungsgemäss zeichnet sich die Kugel-Gelenk-Verbindung dadurch aus, dass die die Kugelkopfaufnahme bildende Oberfläche Bereiche mit unterschiedlicher Oberflächenhärte aufweist. Insbesondere ist die Kugel-Gelenk-Verbindung durch benachbarte Oberflächenbereiche mit abweichender Materialhärte charakterisiert.

[0024] Gemäss bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Kugel-Gelenk-Verbindung durch ein Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung bzw. einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt. Demzufolge zeichnet sich die erfindungsgemässe Kugel-Gelenk-Verbindung durch dieselben Vorteile und Eigenschaften aus, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.

[0025] Gemäss bevorzugter Ausgestaltung der Kugel-Gelenk-Verbindung ist innerhalb der kalottenförmigen Wandung der Kugelkopfaufnahme wenigstens eine Nut, insbesondere eine ringförmige Nut vorgesehen, wobei sich diese ringförmige Nut gegenüber der kalottenförmigen Wandung durch eine reduzierte Oberflächenhärte auszeichnet.

[0026] Ferner kann ein sich an die Kalottenform anschliessender und überstehender Bund vorgesehen sein, dessen Oberflächenhärte zumindest bereichsweise gegenüber der kalottenförmigen Wandung reduziert ist.

[0027] Darüber hinaus ist wenigstens ein Gelenkteil der erfindungsgemässen Kugel-Gelenk-Verbindung zylinderförmig ausgestaltet, wobei dessen Zylinderumfangsfläche überwiegend mit hoher Oberflächenhärte vorliegt. Ferner kann es möglich sein, dass ein Teil der äusseren Zylinderwand des Gelenkteils einen Teil des herausragenden Bundes bildet. In diesem Fall ist der den Bund darstellende Bereich der äusseren Zylinderwandung durch eine reduzierte Oberflächenhärte gekennzeichnet. Üblicherweise weist die Aussenwand des Gelenkteils im Bundbereich einen reduzierten Durchmesser auf.

[0028] Gemäss vorteilhafter Ausgestaltung kann die den Kugelkopf hintergreifende und kontaktierende Oberfläche des Bundes des zweiten Gelenkteils einen Teilabschnitt mit gegenüber dem verbleibenden Restabschnitt der den Kugelkopf hintergreifenden Oberfläche höherer Oberflächenhärtung umfassen. Einerseits soll der Gefügebereich des Gelenkteils, in dem die Kaltumformung unmittelbar erfolgt, eine (vergleichsweise) geringe Härte aufweisen. Andererseits besteht nach dem Einfügen des Kugelkopfes in dem hier im Fokus stehenden Teilbereich eine Kontaktfläche zum Kugelkopf. Um diesem Punkt Rechnung zu tragen, liegt bei einem fertiggestellten erfindungsgemässen Kolben in diesem Teilbereich zwar gehärtetes Material vor, jedoch mit einer deutlich geringeren Härte bzw. eine gehärtete Schicht mit einer geringeren Dicke hrt als in den Bereichen der hohen Materialhärten, wie etwa der mit der Triebwerklaufbuchse in Kontakt stehenden Mantelfläche des Kolbens. Der Teilabschnitt mit der geringen Materialhärte kann an das dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes heranreichen, bevorzugt ist es jedoch, wenn dieser Teilbereich nicht bis an das Ende heranreicht.

[0029] Gemäss vorteilhafter Ausgestaltung kann der Teilbereich vorzugsweise eine Einhärtetiefe hH im Bereich von 0.02 mm bis 0.7 mm, bevorzugt im Bereich 0.02 mm bis 0.25 mm aufweisen. Eine Oberflächenhärte für diesen Teilbereich im Bereich zwischen 300 HV bis 1000 HV ist vorteilhaft, bevorzugt liegt diese zwischen 300 HV und 600 HV, besonders bevorzugt zwischen 300 HV und 500 HV. Das Längenverhältnis zwischen dem Abstand der Mittenachse einer ringförmigen Innennut und dem an das dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes sowie dem Abstand des Teilbereichs von dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes liegt im Bereich zwischen 0% und 40%, bevorzugt zwischen 0% und 35%, besonders bevorzugt zwischen 0% und 30%.

[0030] Die Erfindung betrifft ebenso eine Gleitschuh-Kolbeneinheit mit einer Kugel-Gelenk-Verbindung gemäss der vorliegenden Erfindung, wobei vorzugsweise der erste Gelenkteil dem Gleitschuh entspricht und der zweite Gelenkteil dem Kolben. Idealerweise wird die Gleitschuh-Kolben-Einheit gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren gefertigt.

[0031] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Gleitschuh-Kolben-Einheit gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 2: eine Darstellung des erfindungsgemässen Kolbens gemäss einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3: eine Darstellung der benötigten Kolbenrohform für die Endfertigung des Kolbens gemäss Fig. 2,

Fig. 4: eine Gegenüberstellung des fertigen Kolbens gemäss Fig. 2 mit seiner Rohform gemäss Fig. 3,

Fig. 5: eine Diagrammdarstellung des Zusammenhangs zwischen Eindringtiefe und Materialhärte für unterschied liche Härtungsprozesse,

Fig. 6: eine Detaildarstellung der Kolbenrohform gemäss Fig. 3 mit markierten Übergangspunkten,

Fig. 7: eine Darstellung des erfindungsgemässen Kolbens gemäss einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 8: eine Darstellung der benötigten Kolbenrohform für die Endfertigung des Kolbens gemäss Fig. 7,

Fig. 9: eine Detaildarstellung der Kolbenrohform gemäss Fig. 8 mit markierten Übergangspunkten,

Fig. 10: eine Gegenüberstellung des fertigen Kolbens gemäss Fig. 7 mit seiner Rohform gemäss Fig. 8 und

Fig. 11 : eine alternative Anordnung der Kugel-Gelenk-Verbindung für eine Gleitschuh-Kolben-Einheit.

[0032] Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die erfindungsgemässe Kugel-Gelenk-Verbindung soll nachfolgend exemplarisch anhand einer Gleitschuh-Kolben-Einheit für eine Kolbenmaschine erläutert werden. Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines einstückigen Bauteils, z.B. eines einteiligen Kolbens oder Kolbengrundkörpers, das in eng benachbarten Zonen unterschiedliche gegensätzliche Materialeigenschaften aufweist. Einerseits soll eine gehärtete und glatte Oberfläche vorliegen, andererseits soll eine ausreichend hohe Duktilität vorliegen, damit die Voraussetzung für eine rissfreie plastische Verformbarkeit vorliegt und somit eine Kaltumformung, z.B. durch Einrollen, Walzen, Biegen etc., des Bauteils ohne Materialschwächung möglich ist.

[0033] Der für eine Wärmebehandlung vorbereitete Rohkolben besteht aus einem vergleichsweise weichen Ausgangsmaterial und wird mit gezielt festgelegten Fertigungsaufmassen hergestellt. Der Rohkolben wird einer intensiven Wärmebehandlung unterzogen bis seine Oberfläche eine Materialhärte aufweist, die für den Bereich der stärksten Beanspruchung ausreicht. Nach dem Abtragen der Fertigungsaufmasse liegt ein Kolben mit der benötigten Geometrie vor. Aufgrund der vorausgegangenen gezielt festgelegten Fertigungsaufmasse weist die Kolbenoberfläche unterschiedliche Materialhärte auf, die an die unterschiedlichen Erfordernisse angepasst ist.

[0034] Zur besseren Nachvollziehbarkeit werden zunächst die Merkmale des erfindungsgemässen Kolbens aufgezeigt und anschliessend das Fertigungsverfahren unter Hervorhebung der erfindungsgemässen Teilschritte dargelegt: Δ) Erfindungsgemässer Kolben [0035] Fig. 2 zeigt den zentralen Längsschnitt und einen vergrösserten Teilbereich des erfindungsgemässen Kolbens 10. Im unteren Bereich der Vergrösserung ist (i) ein Grossteil der Aussparung zu erkennen, in die der Kugelkopf des Gleitschuhs eingefügt wird, bestehend aus einem rechtsseitigen Innenraum, der bereits die zur Aufnahme des Kugelkopfes formgenaue Kalottenform 11 aufweist an dem sich linksseitig ein überstehender Bund anschliesst und (ii) ein Teil des Kanals 13 für die zur Schmierung und hydrostatischen Entlastung benötigte Ölzuführung. Der darüber gelegene Teil der Vergrösserung zeigt das verbliebene Vollmaterial des Kolbens 10 bis zu seiner äusseren Oberfläche. Die erfindungsgemässen Merkmale des fertiggestellten Kolbens 10 betreffen das Vorliegen von zweckmässigen deutlich unterschiedlichen Materialhärten in zum Teil eng benachbarten Bereichen der Kolbenoberfläche.

[0036] Die mittels der gröberen Schraffur gekennzeichneten Bereiche 14a, 14b, 14c, 14d zeigen die durch Wärmebehandlung (z.B. durch Nitrieren) gehärtete Schicht auf. Die nach aussen und nach innen gerichteten Oberflächen 14a, 14b, 14c, 14d dieser Schichten des Kolbens 10 weisen eine extrem hohe Materialhärte auf und für die Bereiche (i) und (ii) müssen beim fertiggestellten Kolben 10 klarerweise besonders glatte Oberfläche vorliegen. Diese beiden Eigenschaften werden an der Kolben-Aussenwand 15 über dem gesamten Abschnitt benötigt, der im Zuge der axialen Kolbenbewegung mit der Oberfläche der Triebwerkbohrung bzw. der dort eingebauten Laufbuchse in Berührung kommt. Ferner werden diese Eigenschaften innerhalb des Abschnitts der Oberfläche 14c der Kolbenaussparung benötigt, die bereits die formgenaue Kugelkalotte 11 zur Aufnahme des Gelenkkopfes aufweist. Ausserdem weist die Innenwand 14d des Kolbens 10, durch die sich der Ölkanal 13 erstreckt, eine extrem hohe Materialhärte auf, was zu einer höheren Festigkeit des Kolbens 10 beiträgt. Im Fall eines Hohlkolbens ermöglicht letztere Eigenschaft eine Vergrösserung des Hohlraums bzw. der Hohlräume, was zu einer weiteren Gewichtsreduktion beiträgt.

[0037] Die feinere Schraffur in der Vergrösserung kennzeichnet den Verformungsbereich 12 des Kolbens 10, der beim erfindungsgemässen Kolben 10 eine hohe Duktilität aufweist, die eine prozesssichere Kaltumformung ermöglicht. Die Notwendigkeit einer gewissen Duktilität und die Vorteilhaftigkeit einer besonders hohen Duktilität wurden bereits im einleitenden Teil dieser Anmeldung diskutiert. Die erste Kontaktzone mit dem Werkzeug zur Kaltumformung ist mit dem Bezugszeichen 18 beschriftet. Längs der mit dem Bezugszeichen 12b gekennzeichneten Oberflächenabschnitte liegt daher die genannte hohe Duktilität vor, d.h. diese Oberflächenabschnitte haben dieselbe vergleichsweise niedrige Materialhärte wie sie im Inneren des Kernmaterials vorliegt. Ähnliches gilt für den Randbereich 12c im Inneren des Kolbens 10.

[0038] Einerseits soll der Gefügebereich des Kolbens, in dem die Kaltumformung unmittelbar erfolgt eine (vergleichsweise) geringe Härte aufweisen. Andererseits besteht nach dem Einfügen des Gleitschuhs in dem hier markierten Randbereich 14b eine Kontaktfläche zum Kugelkopf, weshalb in dem Bereich 14b eine gehärtete Schicht vorgesehen ist.

[0039] Diejenige Randschicht 12a im Verformungsbereich 12 des Kolbens, welche sich in unmittelbarer Nähe zu der Aussparung befindet, ist in der Vergrösserung abgetrennt von dem sonstigen wesentlich grösseren mit der feineren Schraffur gekennzeichneten Verformungsbereich 12 dargestellt. Letztgenannte Randschicht 12a weist im Vergleich zu der bereits genannten extrem hohen und der vergleichsweise geringen Materialhärte, die derjenigen des Kernmaterials entspricht, eine mittlere Duktilität auf. Letztere ist allerdings genau definiert und stellt einen bestmöglichen Kompromiss der erwähnten gegensätzlichen Bauteileanforderungen dar. Wie erwähnt, muss eine ausreichende plastische Formbarkeit vorliegen, damit beim Einfügen des Gelenkkopfes keine Vorschädigung des Verformungsbereichs 12 am Kolben 10 auftritt. Andererseits muss eine ausreichende Materialhärte bestehen, damit die Schaffung einer glatten Oberfläche möglich ist und eine hohe Dauerfestigkeit gegen die beim Betrieb bestehenden Kräftebeanspruchungen vorliegt.

[0040] In der Vergrösserung befinden sich zwei Abschnitte der Kolbenwand ausserhalb der schraffierten Bereiche. Den Abschnitt 16 längs der Aussenwand des Kolbens 10 zwischen dem Umformbereich 12 und dem stark gehärteten Bereich 14a kann man passenderweise als Reservezone 16 bezeichnen. Diese weist die Härte des Kernmaterials oder eine geringfügig höhere Materialhärte auf, damit dort einerseits auf jeden Fall eine ausreichende Festigkeit des Kolbens 10 vorliegt und andererseits eine unnötig hohe Versprödung vermieden wird, um eine Vorschädigung des Kolbens 10 beim Einfügen des Kugelkopfes zu vermeiden. Denn möglicherweise erstreckt sich der Verformungsbereich 12 über den durch die feinere Schraffur gekennzeichneten Bereich hinaus fort.

[0041] Die Kolbenwand weist eine ringförmige Innennut 17 auf und hat im Nahbereich dieser Ringnut 17 eine niedrige Materialhärte. Zweck dieser Gestaltung ist eine Verhinderung, dass beim Einfügen des Gelenkkopfes die von den Werkzeugen einzubringenden Kräfte in denjenigen Wandbereich eingeleitet werden, der bereits formgenau an den Kugelkopf angepasst ist und gar eine Verformung in diesem Bereich erwirken könnte. Letzteres würde klarerweise zu einer tendenziellen Verklemmung der Kugelkopfverbindung führen. Jedoch allein die Einleitung von Kräften in diesen gehärteten und damit spröden Bereich könnte das Herausbrechen kleiner Mengen von Werkstoff oder Werkstoffanteilen auslösen.

[0042] Im Gegensatz zu solchen dem Stand der Technik entsprechenden Kolben, bei denen die vorliegende Materialhärte der gesamten Kolbenoberfläche oder zumindest weit ausgedehnter Oberflächenareale einen Kompromiss zwischen hoher Dauerfestigkeit und ausreichender Duktilität darstellt, weist ein erfindungsgemässer Kolben 10 in bestimmten Zonen, wo dieses vorteilhaft ist, eng benachbarte Oberflächenareale mit stark voneinander verschiedenen Materialhärten auf. Die Kompromissfindung beschränkt sich hier auf einen sehr kleinen Teilbereich der Kolbenoberfläche, nämlich den überstehenden Bund der Aussparung zur Aufnahme des Kugelkopfes, wobei die erfindungsgemässe Herstellung eine genaue Vorgabe der dortigen Materialhärte ermöglicht. Durch die Anwendung der nachfolgend erklärten erfinderischen

Fertigungsschritte kann die Materialhärte eines Kolbens 10 für seine gesamte Oberfläche und wie aus dem Folgetext ersichtlich seine gesamte oberflächennahe Materialschicht ortsabhängig optimal an die Erfordernisse angepasst werden.

[0043] Alternativ zu der Ausführungsform eines Vollkolbens gemäss Fig. 2 kann die Kolbenwand einen oder mehrere Hohlräume aufweisen und das wiederum mit oder ohne Füllkörper. Darüber hinaus muss ein erfindungsgemässer Kolben 10 nicht zwangsläufig aus Vollmaterial gefertigt sein, sondern könnte bspw. ausgehend von einem oder mehreren rohrförmigen Grundelementen aufgebaut sein. B) Erfindungsgemässe Fertigung der Kolben 10 [0044] Die linksseitige Teil der Fig. 3 zeigt eine Vergrösserung des erfindungsgemässen Rohkolbens 10', die dem in der Fig. 2 dargestellten Teilbereich der Vergrösserung eines erfindungsgemässen Kolbens 10 nach seiner Fertigstellung entspricht. Die Formgebung des Rohkolbens 10' dient als vorbereitende Massnahme für die zur Materialhärtung dienende Wärmebehandlung. Gemäss der bereits anhand der Fig. 2 eingeführten Konvention der Schraffuren weist der Rohkolben 10' der Fig. 3 eine durchgängig gehärtete Oberfläche auf. Der Rohkolben 10' weist in Bezug auf den fertiggestellten Kolben 10 in bestimmten Bereichen Übermasse auf, was die Fig. 4, auf der die Vergrösserungen des Rohkolbens 10' und des fertiggestellten Kolbens 10 aufeinander gelegt sind, verdeutlicht. Dabei ist die den fertiggestellten Kolben 10 aufzeigende Vergrösserung mit gestrichelten Linien dargestellt. Zu Orientierungszwecken ist ein Vollkreis 19 in der Art und Weise abgebildet, die einen in seiner Einbaulage positionierten Kugelkopf repräsentiert. Die Pfeile b mit gestrichelter Linie markieren hierbei die freiliegende Oberfläche nach der im Anschluss an den Härtungsprozess durchgeführten spanabhebenden Materialbearbeitung. Diese Oberfläche entspricht zugleich der Oberfläche des fertiggestellten Triebwerkskolbens 10.

[0045] Die Pfeile a mit durchgehender Linie markieren die freiliegende und durch die Wärmebehandlung gehärtete Oberfläche am gezeigten Teilschnitt des Kolbenrohlings 10'.

[0046] Wie anhand der die Oberflächen repräsentierenden Konturen zu erkennen ist, sind die Oberflächen derjenigen Wandbereiche, die beim fertiggestellten Kolben 10 eine hohe Materialhärte aufweisen, das betrifft (i) den Abschnitt 14a der Aussenwand des Kolbens, die im Kontakt mit der Triebwerkbohrung bzw. der darin vorhandenen Laufbuchse steht, und (ii) den Wandbereich 14c, der bereits die zur Aufnahme des Kugelkopfes formgenaue Kugelkalotte aufweist, sowie (iii) die Wand 14d der Zentralbohrung, in beiden ineinander gelegten Vergrösserungen identisch.

[0047] Im Gegensatz dazu liegen die vergleichsweise hohe Übermasse des Rohkolbens 10' in denjenigen Wandbereichen vor, in denen beim fertiggestellten Kolben 10 auch das sich an der Oberfläche befindende Material duktil ist; das betrifft den Verformungsbereich 12, die Reservezone 16 und die Ringnut 17. Wie in Fig. 2 erkennbar, weist bei einem erfindungsgemässen fertiggestellten Kolben 10 die Innenseite 14b des überstehenden Bundes eine gehärtete Schicht auf, die deutlich dünner ist als die des Wandbereichs 14c an dessen Oberfläche die formgenaue Kugelkalotte zur Aufnahme des Gelenkkopfes bereits vorliegt.

[0048] Zwecks zeichnerischer Vereinfachung wird in den Figuren durch eine entsprechende Schraffur nur zwischen gehärteten und nicht gehärteten Zonen unterschieden. Bekanntermassen ergibt sich durch eine Wärmebehandlung ausgehend von einem weichen in ein hartes Material kein sprunghafter Übergang. Stattdessen stellt sich durch die Wärmebehandlung ein räumlich und zeitlich kontinuierlicher Härtungsprozess ein. Ausgehend von einer gehärteten Materialoberfläche liegt bei zunehmender Eindringtiefe x zunächst eine progressive Abnahme der Materialhärte HV und ab einer gewissen Eindringtiefe X eine quasi degressive Abnahme vor, sodass ab einer gewissen Eindringtiefe die Duktilität des nicht gehärteten Werkstoffs vorliegt (vgl. rechte Diagrammdarstellung der Fig. 3).

[0049] Aus dem Zusammenhang wird klar, dass am Rohkolben 10' durch die bewusste Auswahl des Übermasses an der Innenseite 14b des überstehenden Bundes nach der definierten Wärmebehandlung eine zur Erreichung der festgelegten Endform des Kolbens bestimmte Schichtdicke an Werkstoff abgetragen werden muss und damit die Materialhärte an dieser Oberfläche vorherbestimmt ist. Entsprechend der dort angestrebten Materialhärte und der nach der Wärmebehandlung erzielten Oberflächenhärte des Rohkolbens 10' wird dessen Übermass festgelegt.

[0050] In einer weiter fortgeführten Ausbaustufe des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens wird das bewusste Aufbringen definierter Übermasse bei der Formgebung des Rohkolbens 10' im Zusammenhang mit den bei der Wärmebehandlung bestehenden Freiheitsgraden betrachtet. Zur Erklärung dient die Diagrammdarstellung der Fig. 5, die der jeweiligen Materialtiefe x den vorliegenden Härtegrad HV gegenüberstellt. Die Erzielung einer hohen Materialhärte verlangt lediglich eine entsprechend intensive Wärmebehandlung. Der Minimalwert zur Sicherstellung einer hinreichend hohen Materialhärte sei HV1. Damit die zur Fertigstellung des Kolbens 10 nötige Materialabnahme am Rohkolben mit einem vertretbaren Aufwand möglich ist, soll ein Härtewert HV3 nicht überschritten werden. Am fertiggestellten Kolben 10 sei für den überstehenden Bund der Aussparung zur Aufnahme des Kugelkopfes eine Materialhärte des Wertes HV2 vorgesehen. Über die Verfahrensauswahl der Wärmebehandlung (z.B. Nitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrokarbonieren, Plasmanitrieren etc.) sowie die Prozessgestaltung hinsichtlich der Temperaturführung und die Dauer der Prozesseinwirkung usw.) können in Bezug auf die Eindringtiefe x (Fig. 3, linke Darstellung) unterschiedliche Verläufe der Materialhärte eingestellt werden. Exemplarisch zeigt Fig. 5 drei unterschiedliche Verläufe der Materialhärte HV in Abhängigkeit der Eindringtiefe. Somit können durch genaue Festlegungen des Wärmebehandlungsprozesses und des Übermasses die Oberflächenhärte und die Härte an den oberflächennahen Schichten des überstehenden Bunds optimal angepasst werden.

[0051] Die gezielte Verwendung von Übermassen am Rohkolben 10' beschränkt sich nicht nur auf die Bereiche, an denen zur Fertigstellung des Kolbens 10 die gehärtete Schicht weitestgehend oder komplett abgetragen werden soll, sondern auch auf die Übergangsbereiche zwischen den stark gehärteten und weniger harten Oberflächenbereichen. Besonders gut ist dieser Aspekt für die Fertigung der Ringnut 17 erklärbar (vgl. Fig. 4). In dem Bereich, wo diese ihre stärkste Vertiefung aufweist, liegt beim Rohkolben 10' das grösste Übermass in der Aussparung zur Aufnahme des Kugelkopfes vor. Das zur Vorgabe der Material härte an der Oberfläche der Ringnut am Rohkolben aufgebrachte Übermass ist wulstartig geformt und mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Im Bereich der Ringnut-Mitte erfolgt beim späteren Einfügen des Kugelkopfes eine besonders starke Umformung. Folglich müssen auch im Bereich der Ringnut 17 niedrige Materialhärten wie diese im Inneren des Kernmaterials vorliegen.

[0052] Damit bei der Umformung das Auftreten von Kerbwirkungen, was eine deutliche Reduzierung der Bauteilefestigkeit hervorruft, vermieden wird, sind diese sogenannten Übergangsbereiche am Rohkolben verrundet. Eine besonders vorteilhafte Gestaltung dieser Übergangsbereiche ergibt sich über durchgängig tangentenstetige (kantenfreie) Verläufe der Konturen des Rohkolbens 10', wie dies bspw. in Fig. 6 durch die Kreise 21 dargestellt ist, und des fertiggestellten Kolbens 10 (s. Fig. 2), die in Bezug auf die Bohrungsrichtung dem Verlauf des Durchmessers der Aussparung entsprechen.

[0053] Die Fertigung eines erfindungsgemässen Kolbens unter Hervorhebung der erfinderischen Herstellungsschritte und deren Vorteilhaftigkeit geschieht in chronologischer Abfolge: • Fertigung des Rohkolbens 10' mit den bewusst gewählten genau definierten Übermassen aus einem Material mit einer vergleichsweise hohen Duktilität, welches sich besonders gut zur Härtung eignet und nach deren Härtung durch entsprechende Nachbearbeitung besonders glatte Oberfläche erzielt werden können. • Intensive Härtung des Rohkolbens 10' vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung. Dabei kann die Verfahrensauswahl der Wärmebehandlung (z.B. Nitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrokarbonieren, Plasmanitrieren etc.) sowie die Prozessgestaltung hinsichtlich der Temperaturführung und die Dauer der Prozesseinwirkung usw.) angepasst werden, damit die Oberflächenhärte innerhalb eines geeigneten Bereichs liegt (Festigkeit versus Aufwand für den notwendigen Materialabtrag) und vor allem eine optimale Kompromissfindung für den sensiblen Bereich des Kolbens erzielt wird. Eine Optimierung unter der Abwägung zwischen einer Oberflächengüte und des Herstellungsaufwandes ist ebenfalls möglich.

Hingegen muss bei der Wärmebehandlung keine Kompromisslösung zwischen den beiden gegensätzlichen Bauteileanforderungen getroffen werden. • Materialabtragung zur endgültigen Formgebung des Kolbens 10, wie diese zum Einfügen des Kugelkopfes benötigt wird. Durch diesen Materialabtrag wird gleichzeitig erreicht, dass die Oberfläche des Kolbens die gewünschten ortsabhängigen Materialhärten aufweist. • Nach der Fertigung des Kolbens 10 erfolgt das Einfügen des Kugelkopfes. Dieser Vorgang geschieht vorzugsweise durch eine Kaltumformung (z.B. Wälzen, Einrollen etc.), wobei das Einfügen gegebenenfalls durch eine massige Erwärmung unterstützt werden kann.

[0054] Bei dem Fügeprozess des Kolbens 10 zum Einbau des Kugelkopfes resp. des Gleitschuhs liegt am äusseren Ende des überstehenden Bund des Kolbens die maximale Umformung vor. Dieser Problematik kann durch eine vorteilhafte Modifizierung des Kolbens 10 begegnet werden. Diese vorteilhafte Variante ist in Fig. 7 gezeigt. Aus der dort dargestellten Vergrösserung sind die Unterschiede zu dem zuvor beschriebenen erfindungsgemässen Kolben gemäss Fig. 2 erkennbar. Der gesamte Bereich A ist identisch zu der in der Fig. 2 dargestellten Variante ausgestaltet. Daher wird bezüglich der Geometrie und Eigenschaften im Bereich A auf die vorangegangenen Erläuterungen zum Ausführungsbeispiel der Fig. 6 verwiesen. Bei der verbesserten Kolbenvariante 100 besteht jedoch die innenseitige Oberfläche 101 des überstehenden Bundes aus nicht gehärtetem oder deutlich weniger gehärtetem Material als der sich in Bezug auf die Zeichnungsorientierung rechtseitig anschliessende Wandabschnitt 102. Am fertiggestellten Triebwerkkolben 100 reicht hier die gehärtete Zone 101 mit einer Einhärtetiefe htf allerdings nicht bis an das dem Gleitschuh zugewandte Ende des Kolbens 100 heran. Trotz dieser Massnahme liegt weiterhin eine gehärtete Auflagefläche vor. Vorteilhafterweise liegt nunmehr im gesamten Nahbereich, an dem das Werkzeug bei der Kaltumformung angreift, das Gefüge in einem nicht-spröden Zustand vor, wie es nach einem Härteprozess der Fall ist.

[0055] Unabhängig von der Grösse der Kugelkopf-Verbindung resp. des Kugelkopfdurchmessers kann durch eine wie in Fig. 7 zu deutende Anpassung des Grössenverhältnisses a = Ι2/ΙΊ eine Optimierung der bekannten gegenteiligen Bauteileanforderungen erzielt werden, wobei l2 den Abschnitt zwischen dem dem Gleitschuh zugewandten Ende des Kolbens 100 und dem Beginn des Bereichs 101 und h den Abschnitt von dem dem Gleitschuh zugewandten Ende des Kolbens 100 bis zur Mittelachse der Ringnut 17 kennzeichnet. In Bezug auf Triebwerkkolben für Axialkolbenmaschinen werden besonders gute Kolbeneigenschaften erzielt, wenn die Zone 101 mit den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Parametern für die Einhärtetiefe htf, die erzielte Oberflächenhärte OH der Zone 101 sowie den vorgenannten Längenanteil a gefertigt wird. Die einzelnen Zeilen «Vorzugsbereich», «erweiterter Bereich» und «extrem erweiterter Bereich» geben hier die Parameter für unterschiedliche Dimensionierungsbeispiele an.

Eingetragene Grössen s. Einhärtetiefe hu Oberflächenhärte OH Längenanteil a

Fig. 15____

Vorzugsbereich__0.02 mm bis 0.25 mm 300 HV bis 500 HV 0 % bis 30 %

Erweiterter Bereich__0,02 mm bis 0.25 mm 300 HV bis 600 HV 0 % bis 35 %

Extrem erweiterter Bereich 0.02 mm bis 0.7 mm 300 HV bis 1000 HV 0 % bis 40 % [0056] Unter Bezugnahme auf die bereits verwendeten Vergrösserungsbereiche geht einer der Ausführungsform des in Fig. 7 abgebildeten fertiggestellten Kolbens 100 bei einer erfindungsgemässen Herstellung die Fertigung eines Rohkolbens 100' gemäss der Fig. 8 voraus. In der Darstellung gemäss Fig. 10 sind Rohkolben 100' und der fertiggestellte Kolben 100 erneut übereinander gelegt, um die entsprechenden Übermassbereich zu verdeutlichen. Den vorausgegangenen Erklärungen des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens weist dieser Rohkolben 100' den gekennzeichneten Abschnitt 22 zusätzlicher Übermasse auf.

[0057] Durch eine entsprechende Formgebung des Rohkolbens 100' können als weitere Variante unter Anwendung des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens Kolben gefertigt werden, bei denen die Material härte an der innenseitigen Oberfläche des überstehenden Bundes in Bezug auf die Tiefenrichtung der Aussparung unterschiedliche Materialhärten aufweist. Vorzugsweise würde hierbei am Bundende die geringste Materialhärte vorliegen und in Bezug auf die Tiefenrichtung der Aussparung ein Anstieg der Materialhärte erfolgen bis ein Längenabschnitt mit konstanter Materialhärte vorliegt. Alternativ dazu könnte sich dieser Anstieg der Materialhärte bis in die Nähe der ringförmigen Innennut fortsetzen.

[0058] Gleichermassen sind für die verbesserten Varianten kantenfreie Verläufe der Konturen des Rohkolbens 100' und des fertiggestellten Kolbens 100, die in Bezug auf die Tiefenrichtung dem Verlauf des Durchmessers der Aussparung entsprechen, zu bevorzugen. Die entsprechenden tangentenstetigen Übergänge bei der gemäss Fig. 8 gewählten Rohformkontur sind in Fig. 9 erneut durch Kreise gekennzeichnet. Die Bedeutung dieser Verrundungen in der Aufmasskontur soll exemplarisch anhand der mittels des kleinen Kreises markierten Verrundung in Fig. 10 erläutert werden. Nach der Fertigstellung des Kolbens 100 liegt diese Verrundung 23 sowie die gesamte Aufmasskontur zwar nicht mehr als Oberfläche des Kolbens 100 vor, aber genau diese gemäss Fig. 10 während des Härtungsprozesses vorliegende Aufmasskontur hat bzw. wird die Härteverteilung innerhalb des fertiggestellten Kolbens 100 beeinflussen.

[0059] Jede nicht-tangentenstetige Konturänderung längs der Aufmasskontur verursacht eine sprunghafte Härteänderung innerhalb des fertiggestellten Kolbens 100. Eine sprunghafte Härteänderung innerhalb eines Bauteils stellt eine dortige lokale Schwächung des Materialgefüges dar. Schwächungen des Materialgefüges im Bereich, in dem unmittelbar eine plastische Verformung erfolgen wird, stellen ein erhöhtes Risiko einer Bauteilebeschädigung während der Kaltumformung dar.

[0060] Durch Auswahl der Übermasse des Rohkolbens 10', 100' können ggf. weitere Vorteile für das Einfügen des Kugelkopfes und damit für die Kolben-Gleitschuh-Einheit erzielt werden. Beim Fügen der Kugel-Gelenk-Verbindung können verschiedene Umformverfahren zum Einsatz kommen. Durch Kaltumformung entsteht keine thermische Einwirkung auf die gehärteten und polierten Oberflächen, die eine Schädigung derselben hervorrufen können; zumindest dann wenn eine zu starke Erwärmung über einen längeren Zeitraum vorliegt. Das Einfügen des Kugelkopfes in einen erfindungsgemässen Kolben 10,100 muss nicht zwangsläufig durch eine Kaltumformung geschehen, jedoch ist ein erfindungsgemässer Kolben 10, 100 hierfür wesentlich besser geeignet. Neben der Prozesstemperatur liegen für die Umformung weitere Freiheitsgrade vor, nämlich die Auswahl des Verfahrens (z.B. Einrollen, Walzen, Biegen) und die Geometrie des Umform-Werkzeugs resp. der Kontaktzone des Werkzeugs am überstehenden Bund des Kolbens 10, 100.

[0061] Wie voranstehend erklärt, wird durch die erfindungsgemässe Herstellung des Kolbens 10, 100 eine bessere Eignung des überstehenden Bundes erzielt. Das wiederum schafft einen grösseren Spielraum ein solches Umformverfahren und dabei ein solches Werkzeug zu verwenden, mit dem möglicherweise eine qualitativ bessere Kugel-Gelenk-Verbindung erzielt werden kann oder ein solche bei geringerem Herstellungsaufwand. In diesem Kontext soll eine qualitativ bessere Kugel-Gelenk-Verbindung bedeuten, dass diese eine höhere Dauerfestigkeit aufweist oder eine Ausführung einer solchen Kolben-Gleitschuh-Einheit gefertigt werden kann, die für die in einer Axialkolbenmaschine vorliegenden Einsatzbedingungen sonstige Vorteile bietet.

[0062] Ein hierfür sehr markantes Beispiel ist die Umschliessungsweite des Kolbenkopfes. Hierbei besteht bei Kolben-Gleitschuh-Einheiten ein Gegensatz zweier Anforderungen. Einerseits ist zur Stabilität und präzisen Führung des Kugelkopfes in der Kugelkalotte eine höhere Umschliessungsweite vorteilhaft. Doch andererseits wird durch eine höhere Umschliessungsweite der maximal mögliche Schrägwinkel einer Axialkolbenmaschine verkleinert.

[0063] Die bisherige Text beschreibt Kolben, die stoffschlüssig mit der Kugelkopfaufnahme verbunden sind, und der Gleitschuh entsprechend stoffschlüssig mit dem Kugelkopf verbunden ist. Die vorangegangenen Erläuterung zur erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit und zum erfindungsgemässen Herstellungsprozess lassen sich jedoch ohne Ein-

Schränkungen auf die gezeigte Kolben-Gleitschuh-Einheit gemäss Fig. 11 übertragen, bei der der Kolben den Kugelkopf trägt und der Gleitschuh mit der entsprechenden Kugelkopfaufnahme ausgeführt ist.

Claims (18)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Herstellung einer Kugel-Gelenk-Verbindung umfassend ein erstes Gelenkteil mit einem Kugelkopf und ein zweites Gelenkteil mit einer Kugelkopfaufnahme: -Vorfertigung des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils, wobei wenigstens ein definierter Oberflächenbereich des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils gezielt mit Übermass vorgefertigt wird, -Oberflächenhärtung des ersten und/oder zweiten Rohgelenkteils, - Endformung des ersten und/oder zweiten Gelenkteils aus dem gehärteten Rohgelenkteil durch Abtragen des überschüssigen Materials an dem wenigstens einen mit Übermass gefertigten definierten Oberflächenbereich und -Zusammenfügen der Kugel-Gelenk-Verbindung.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dass das Zusammenfügen der Kugel-Gelenk-Verbindung durch Kaltumformung erfolgt.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfaufnahme des zweiten Rohgelenkteils nach der Vorfertigung eine Kalottenform aufweist, an die sich ein überstehender Bund anschliesst, der beim Zusammenfügen der Gelenkverbindung derart verformbar ist, so dass dieser zumindest teilweise den aufgenommenen Kugelkopf hintergreift.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche des überstehenden Bundes mit Übermass vorgefertigt werden, insbesondere die sich an die Kalottenform anschliessende Oberfläche des Bundes und/oder die Oberfläche des Bundes, an die ein Werkzeug zur nachfolgenden Umformung angesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorfertigung des Rohgelenkteiles mit Übermass derart erfolgt, so dass die den Kugelkopf nach der Umformung hintergreifende und kontaktierende Oberfläche des Bundes einen Teilabschnitt mit gegenüber dem verbleibenden Abschnitt der den Kugelkopf nach der Umformung kontaktierenden Oberfläche höherer Oberflächenhärtung umfasst.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabschnitt nicht an das dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes heranreicht.
7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Gelenkteil aus einem Material mit hoher Duktilität gefertigt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtung mittels Wärmebehandlung erfolgt, vorzugsweise mittels Nitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrokarbonieren, Plasmanitrieren.
9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kugelkopfaufnahme bildende Oberfläche des zweiten Rohgelenkteils mit einem wulstartigen Übermass vorgefertigt wird, insbesondere in Form eines sich über die Kalottenform ringartig erstreckenden Wulstes, wobei das die Wulst bildende Material nach dem Härtungsprozess abgetragen wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen entlang der Wulst und dabei das Volumen der Wulst überschreitenden Materialabtrag eine Ringnut erzeugt wird.
11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wulstartige Übermass mit tangentenstetigen Übergängen ausgestaltet wird.
12. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der bewusst aufzubringenden Übermasse bei der Formgebung des Rohgelenkteils in Abhängigkeit der bei der nachfolgenden Oberflächenhärtung bestehenden Freiheitsgrade erfolgt, insbesondere in Abhängigkeit des ausgewählten Verfahrens zur Wärmebehandlung, wie bspw. Nitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrokarbonieren, Plasmanitrieren, und/oder in Abhängigkeit der Prozessgestaltung hinsichtlich der Temperaturführung und/oder der Dauer der Prozesseinwirkung.
13. 13. Kugel-Gelenk-Verbindung bestehend aus wenigstens zwei Gelenkteilen, mit einem ersten Gelenkteil, das einen Kugelkopf aufweist, und einem zweiten Gelenkteil, das eine Kugelkopfaufnahme vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfaufnahme mit Oberflächenbereichen unterschiedlicher Oberflächenhärte ausgeführt ist.
14. 14. Kugel-Gelenk-Verbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der kalottenförmigen Wandung der Kugelkopfaufnahme wenigstens eine Nut, insbesondere eine ringförmige Nut vorgesehen ist, wobei die Nut gegenüber der kalottenförmigen Wandung eine reduzierte Oberflächenhärte aufweist.
15. 15. Kugel-Gelenk-Verbindung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich an die Kalottenform anschliessender und überstehender Bund vorgesehen ist, dessen Oberflächenhärte gegenüber der kalot-tenförmigen Wandung reduziert ist.
16. 16. Kugel-Gelenk-Verbindung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die den Kugelkopf kontaktierende Oberfläche des Bundes einen Teilabschnitt mit gegenüber dem verbleibenden Abschnitt der den Kugelkopf kontaktieren den Oberfläche des Bundes höherer Oberflächenhärtung umfasst, wobei dieser Teilabschnitt vorzugsweise nicht an das dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes heranreicht.
17. 17. Kugel-Gelenk-Verbindung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich vorzugsweise eine Einhärtetiefe htf im Bereich von 0.02 mm bis 0.7 mm, bevorzugt im Bereich 0.02 mm bis 0.25 mm, aufweist und eine Oberflächenhärte für diesen Teilbereich im Bereich zwischen 300 HV bis 1000 HV, bevorzugt zwischen 300 HV und 600 HV, besonders bevorzugt zwischen 300 HV und 500 HV liegt, wobei das Längenverhältnis zwischen dem Abstand der Mittenachse einer ringförmigen Innennut und dem an das dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes und dem Abstand des Teilbereichs von dem dem ersten Gelenkteil zugewandten Ende des Bundes im Bereich zwischen 0% und 40%, bevorzugt zwischen 0% und 35%, besonders bevorzugt zwischen 0% und 30% liegt.
18. 18. Gleitschuh-Kolben-Einheit für eine Axialkolbenmaschine mit einer Kugel-Gelenk-Verbindung gemäss einem der Ansprüche 13 oder 17, vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren gemäss den Ansprüchen 1 bis 12.