WO2020173520A1 - Kolben, axialkolbenmaschine und verfahren zur herstellung eines kolbens - Google Patents

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WO2020173520A1 PCT/DE2020/100053 DE2020100053W WO2020173520A1 WO 2020173520 A1 WO2020173520 A1 WO 2020173520A1 DE 2020100053 W DE2020100053 W DE 2020100053W WO 2020173520 A1 WO2020173520 A1 WO 2020173520A1
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Johann Egbers
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    • F04B53/18—Lubricating

Definitions

  • the invention relates to a piston for an axial piston machine, wherein the piston has a spherical head section with a spherical surface, a shaft section and a sealing section, the shaft section connecting the spherical head section to the sealing section, and wherein, starting from the sealing section, an opening within the shaft section opens in the longitudinal direction of the piston extends to the ball head section.
  • the invention also relates to a method for producing such a piston and an axial piston machine.
  • Axial piston machines which work as a pump and / or as a motor. Such axial piston machines have a plurality of so-called axial pistons. For example, the axial pistons are machined.
  • the document DE 10 2004 061 863 A1 discloses a piston for a piston machine, in particular for an axial piston machine in bent axis design, to comprehensively a conical section, a neck area and a ball head formed on the neck area, a recess formed in the piston and one in the recess trained cones.
  • the publication also discloses a method for producing the piston, the method comprising the steps of cutting round material to the desired length, producing an inner contour by cold extrusion, preparing the outer contour by pre-turning, producing the outer contour by rotary kneading and reworking.
  • the invention is based on the object of proposing a piston which enables better lubrication in the area of the spherical head section. Another object of the invention is to provide a method for producing such a piston to mount. It is also an object of the invention to propose an axial piston machine with min least such a piston.
  • a piston for an axial piston machine having a spherical head section with a spherical surface, a shaft section and a sealing section, the shaft section connecting the spherical head section to the sealing section, with an opening within the shaft section in the longitudinal direction starting from the sealing section of the piston to the Kugelkopfab section extends, the ball head section having a plurality of Schmierstoffkanä len that connect the opening to the spherical surface and wherein inven tion according to each lubricant channel starting from the opening in the direction of the spherical surface has a continuously changing channel diameter.
  • the lubricant channels according to the invention have a channel diameter that changes continuously starting from the opening in the direction of the spherical surface, the lubricant supply to and a lubricant outflow in the area of the spherical surface can be made more uniform and the lubrication improved.
  • each lubricant channel preferably decreases continuously starting from the opening in the direction of the spherical surface.
  • a channel diameter can narrow and / or widen once or several times in the interior of the spherical head section.
  • a lubricant channel starting from the opening, runs in a straight line in the direction of the spherical surface.
  • each lubricant channel can furthermore form its own small lubricant reservoir, for example in locally limited areas in which the lubricant channel briefly widens like a balloon.
  • the opening is preferably arranged coaxially and / or concentrically to a main axis of the piston.
  • the passage opening can serve, for example, for hydraulic relief.
  • the opening preferably extends through the spherical head section to the spherical surface.
  • a cross-section of the opening, at least in the area of the spherical surface, can be made smaller than before and thus the load-bearing capacity of the spherical head section can be improved.
  • the lubricant outlet openings of the lubricant channels preferably have the same or a smaller cross section than the opening in the area of the spherical surface.
  • a diameter of the opening in the region of the shaft section decreases in the direction of the spherical head section, in particular decreases continuously. This increases the pressure on the lubricant channels located in the area of the Kugelkopfab section and improves the distribution of the lubricant.
  • a distribution space for lubricant is optionally formed, into which the opening opens and from which the lubricant channels branch off, in order to finally open onto the spherical surface.
  • the distribution space forms part of the opening, a diameter of the distribution space in the spherical head section preferably being greater than a diameter of the opening in the shaft section.
  • lubricant channels are provided, the lubricant outlet openings are designed to be the same size. Depending on the local need for the amount of lubricant on the spherical surface, however, different cross sections of lubricant outlet openings and / or lubricant channels can also be formed.
  • Lubricant channels with a circular cross section have proven effective. But other cross-sectional shapes, such as oval, elliptical or irregular shapes, can also be used.
  • a cutout is preferably present in the sealing section, the opening running through the shaft section opening into the cutout.
  • the recess is used in particular to reduce the weight of the piston.
  • the recess is designed as a conical and / or a cylindrical and / or a concave and / or a hemispherical depression.
  • the recess is preferably arranged coaxially and / or concentrically to a main axis of the piston.
  • the recess is attached to an axial end face of the sealing section and it preferably extends axially in the direction of the shaft section.
  • the recess preferably has a larger diameter than the opening.
  • the advantage of the recess is that less mass has to be moved in the later application. In this way, in particular, the operating behavior of an axial piston machine which is designed with the piston according to the invention can be improved.
  • each lubricant channel has one Lubricant outlet opening in the area of the spherical surface, the lubricant outlet openings statistically, that is, irregularly, are distributed over the spherical surface.
  • a symmetrical arrangement of the lubricant outlet openings is also advantageous.
  • a sufficient number of lubricant channels ensures the build-up of a uniformly thick lubricating film on the surface of the ball and thus good lubrication in this area.
  • more lubricant openings can be arranged in more heavily loaded areas of the spherical surface than in less loaded areas.
  • a single lubricant outlet opening has in particular a cross-sectional area in the range from> 0 to 5 mm 2 .
  • the object is also achieved by a method for manufacturing a piston according to the invention in that at least the ball head section is manufactured using an additive manufacturing method.
  • This has the advantage that even complex shapes and courses of lubricant channels in the spherical head section can be formed in a short time.
  • the method is currently still particularly suitable for small series production of pistons.
  • the piston is preferably manufactured as a whole by an additive manufacturing process.
  • the shaft section, the sealing section and the through opening are produced by means of extrusion and the spherical head section is formed onto the shaft section by means of the additive manufacturing process.
  • the spherical head section can also be manufactured separately by means of an additive manufacturing process and then subsequently firmly connected to the shaft section. A welding, soldering or gluing process is suitable for this purpose.
  • a near net shape shaft surface of the shaft section is produced by the extrusion.
  • the near-net shape shaft surface is formed by a lateral surface of the shaft section.
  • the near net shape shaft surface is provided by a transition area between the Shank portion and the sealing portion and / or formed between the shaft portion and the spherical head portion.
  • the transition area is preferably designed as a radius and / or a cone with which the shaft section merges onto the spherical head section and / or the sealing section.
  • a near net shape face of the sealing section is produced during extrusion.
  • the near-net-shape end face is formed in relation to the main axis of the piston by an axial end face of the Dichtab section.
  • the end face is preferably designed as a circular ring surface.
  • the extrusion produces a surface quality of the near net shape skirt surface or end face which corresponds to the surface requirements of the finished piston.
  • the surface properties of the surfaces close to the end cone and the fiber orientation inside the piston form clear identifi cation features for a piston that is partially produced by extrusion.
  • a spherical cap geometry is produced on a circumferential surface of the sealing section by machining.
  • the spherical cap geometry prevents the piston from wedging in a cylinder bore of an axial piston machine.
  • This dome geometry is preferably designed as a rotationally symmetrical outer surface of a spherical segment.
  • the spherical cap geometry is particularly preferably manufactured by turning.
  • the domed geometry, the recess and the opening in the shank section are produced in a common machining process.
  • the spherical geometry of the spherical head section is preferably reworked by machining.
  • the piston is preferably made of metal or plastic, in particular steel.
  • the steel is preferably hardened.
  • the upper surface of the shaft of the shaft section and / or the end face of the sealing section correspond to the final contour of the piston after the hardening process.
  • An axial piston machine with at least one piston according to the invention, in which the piston is designed as an axial piston has proven itself.
  • the axial piston machine is an axial piston pump or an axial piston motor.
  • the axial piston pump converts mechanical energy into hydraulic energy.
  • the axial piston motor converts hydraulic energy into mechanical energy in particular.
  • These axial piston machines can include a housing in which a rotor and a disk each rotate about an axis of rotation, the two axes of rotation forming an angle so that the rotor is angled relative to the disk.
  • the rotor each has one or more cylinder bores for receiving the piston.
  • the piston is, on the one hand, received in an articulated manner with the disk, for example via a ball head, and, on the other hand, guided in the receptacle of the piston. As the rotor rotates with respect to the housing, each piston moves axially in the receptacle.
  • the axial piston machine is preferably designed as a bent axis machine or a swash plate machine or a swash plate machine.
  • the axial piston machine has more than two, preferably more than four, especially more than eight of the pistons.
  • the axial piston machine preferably has an odd number of pistons.
  • FIG. 1 shows, in a sectional view, an axial piston machine with an axial piston as an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows the piston from FIG. 1 in a longitudinal section
  • FIG. 3 shows a further piston in longitudinal section
  • FIG. 4 still another piston in longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration of an axial piston machine 1 which is designed and / or suitable for a construction machine, for example.
  • the Axialkol benmaschine 1 is designed as a bent axis pump, which is preferably me- converts mechanical energy into hydraulic energy.
  • the axial piston machine 1 has several pistons 2, a rotor 3 and a disk 4.
  • the Axialkolbenma machine 1 has, for example, nine of the pistons 2, the pistons 2 being designed as Axialkol ben.
  • the pistons 2 are articulated ge via a ball joint 5 with the disc 4.
  • the rotor 3 When the axial piston machine 1 is in operation, the rotor 3 rotates about a first axis of rotation R1.
  • the rotor 3 is designed as a piston housing and has several cylinder bores 6 for this purpose, each piston 2 being movably arranged in one of the cylinder bores 6 and being linearly guided in the axial direction with respect to the first rotational axis R1.
  • the cylinder bores 6 are arranged at a uniform distance from one another around the axis of rotation R1.
  • the disk 4 rotates about a second axis of rotation R2, the first and second axes of rotation R1, R2 intersecting, so that the rotor 3 is arranged at an angle relative to the disk 4.
  • the pistons 2 are moved back and forth in the cylinder bores 6 so that they convey a hydraulic fluid, for example.
  • FIG. 2 shows one of the pistons 2 from FIG. 1 in a longitudinal section along a main axis H of the piston 2.
  • the piston 2 is manufactured as a whole by an additive manufacturing process and is made of steel or plastic.
  • the piston 2 has a Ku gelkopfabêt 7a with a spherical surface 17, a shaft portion 7b and a sealing portion 7c.
  • the shaft section 7b connects the spherical head section 7a with the sealing section 7c, with an opening 15 extending from the sealing section 7c within the shaft section 7b in the longitudinal direction of the piston 2 to the Kugelkopfab section 7a.
  • the spherical head section 7 a has a plurality of lubricant channels 18 which connect the opening 15 to the spherical surface 17.
  • the lubricant channels 18 each open into a lubricant outlet opening 18b which is circular here.
  • the lubricant channels 18 here, starting from the distributor space 19, is designed to be slightly curved, that is, they do not follow a straight line in their course.
  • the sealing section 7c is designed in relation to the main axis H as a circumferential collar which extends radially outward.
  • the sealing section 7c has a near net shape end face 13.
  • the sealing section 7c has a recess 10, which is shown in sections in an enlarged detailed view.
  • the recess 10 is designed as a cylinder countersink with an inwardly curved bottom area.
  • the recess 10 is arranged coaxially and / or concentrically to the main axis H on an axial end face 13 of the sealing section 7c.
  • the recess 10 serves to reduce the weight of the piston 2 and for this purpose extends over, for example, more than 60%, preferably more than 70%, in particular more than 80% of the end face 13 of the sealing section 7c.
  • the end face 13 is designed as an annular surface and is bounded by the recess 10 in the radial direction be.
  • the sealing section 7c has a spherical cap geometry 16 on a circumferential surface, which is also shown in the enlarged detailed view.
  • the Kalottengeomet rie 16 serves, for example, to prevent wedging of the piston 2 in the piston receptacle 6 (see Figure 1).
  • the circumferential surface of the Dichtab section 7c is machined so that the dome geometry 16 is generated.
  • the recess 10, the opening 15 and the spherical cap geometry 16 can be formed in a common machining process.
  • the shaft section 7b has a cylindrical shape, the shaft section 7b being connected to the spherical head section 7a in a first transition region 11a via a radius. In a second transition region 11b, the shaft section 7b is connected to the sealing section 7c via a conical widening running in the direction of the sealing section 7c and via a further radius.
  • the first and second transition areas 11 a, 11 b and the outer surface of the cylindrical shaft section 7 b form a near net shape shaft surface 12 of the shaft section 7 b.
  • it is hardened, for example, before or after the spherical section 7a, in particular the spherical surface 17 and the sealing section 7c, in particular the dome geometry 16, are machined to the final contour.
  • the spherical surface 17 and the spherical cap geometry 16 are processed in a hard turning, grinding and / or superfinishing process.
  • a sealant receptacle which is designed, for example, to receive at least one piston ring, is introduced in the area of the spherical cap geometry 16.
  • a change in the dimensions of the piston 2 due to the hardening process is already taken into account in the design of the piston 2.
  • the manufacturing process is optimized accordingly so that all contours and dimensions that are not to be reworked, in particular the near-net-shape shaft surface 12 and the near-net-shape end face 13, correspond to the final contour after a hardening process.
  • Figure 3 shows a further piston 2 ' in longitudinal section.
  • the same reference symbols as in FIG. 2 identify the same elements.
  • the opening 15 extends through the spherical head section 7a with the same diameter to the spherical surface 17.
  • the channel cross-section 18a of the lubricant channels 18, which branch off from the opening 15 in the area of the spherical head section 7a, is smaller than the diameter of the opening 15 and changes continuously in its course, only a schematic representation was chosen here that does not show this detail.
  • FIG. 4 shows yet another piston 2 ′′ in longitudinal section.
  • the same reference numerals as in FIG. 2 or 3 denote the same elements.
  • the opening 15 extends to the spherical head section 7a.
  • lubricant channels 18 branch off from this, the cross sections or channel diameter of which extend in the direction the Ku gel surface 17 decrease continuously.
  • FIG. 5 shows a view of the piston 2 ′′ from FIG. 4, viewed in the direction of the main axis H onto the spherical surface 17.
  • the arrangement of the lubricant outlet openings 18b of the lubricant channels 18 over the spherical surface 17 can be seen.
  • the arrangement of the lubricant outlet openings 18b in the area of the Kugeloberflä surface 17 can be evenly distributed. In particular, however, there may also be an accumulation of lubricant outlet openings 18b in the area of the spherical surface 17 that is particularly exposed to friction or wear.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (2) für eine Axialkolbenmaschine (1), wobei der Kolben (2) einen Kugelkopfabschnitt (7a) mit einer Kugeloberfläche (17), einen Schaftabschnitt (7b) und einen Dichtabschnitt (7c) aufweist. Der Schaftabschnitt (7b) verbindet den Kugelkopfabschnitt (7a) mit dem Dichtabschnitt (7c), wobei sich ausgehend vom Dichtabschnitt (7c) eine Öffnung (15) innerhalb des Schaftabschnitts (7b) in Längsrichtung des Kolbens (2) zum Kugelkopfabschnitt (7a) erstreckt. Der Kugelkopfabschnitt (7a) weist eine Mehrzahl von Schmiermittelkanälen (18) auf, die die Öffnung (15) mit der Kugeloberfläche (17) verbinden, wobei ein jeder Schmiermittelkanal (18) ausgehend von der Öffnung (15) in Richtung der Kugeloberfläche (17) einen sich kontinuierlich verändernden Kanaldurchmesser (18a) aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens (2) sowie eine Axialkolbenmaschine (1).

Description

Kolben. Axialkolbenmaschine und
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Axialkolbenmaschine, wobei der Kolben einen Kugelkopfabschnitt mit einer Kugeloberfläche, einen Schaftabschnitt und einen Dichtabschnitt aufweist, wobei der Schaftabschnitt den Kugelkopfabschnitt mit dem Dichtabschnitt verbindet, und wobei sich ausgehend vom Dichtabschnitt eine Öffnung innerhalb des Schaftabschnitts in Längsrichtung des Kolbens zum Kugelkopfabschnitt erstreckt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens sowie eine Axialkolbenmaschine.
Es sind Axialkolbenmaschinen bekannt, welche als Pumpe und/oder als Motor arbei ten. Derartige Axialkolbenmaschinen weisen eine Mehrzahl von sogenannten Axial kolben auf. Beispielsweise werden die Axialkolben spanend gefertigt.
Die Druckschrift DE 10 2004 061 863 A1 offenbart einen Kolben für eine Kolbenma schine, insbesondere für eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise, um fassend einen konischen Abschnitt, einen Halsbereich und einen an dem Halsbereich angeformten Kugelkopf, eine in dem Kolben ausgebildete Ausnehmung und einen in der Ausnehmung ausgebildeten Zapfen. Ferner offenbart die Druckschrift ein Verfah ren zur Herstellung des Kolbens, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte Abste chen von Rundmaterial auf gewünschte Länge, Herstellen einer Innenkontur durch Kaltfließpressen, Vorbereiten der Außenkontur durch Vordrehen, Herstellen der Au ßenkontur durch Rundkneten und Nachbearbeiten umfasst.
Die DE 10 2017 119 967 beschreibt einen Kolben, der mittels Fließpressens gebildet ist, wobei eine Durchgangsöffnung durch zerspanende Bearbeitung eingebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben vorzuschlagen, welcher im Bereich des Kugelkopfabschnitts eine bessere Schmierung ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens be- reitzustellen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Axialkolbenmaschine mit min destens einem solchen Kolben vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben für eine Axialkolbenmaschine gelöst, wobei der Kolben einen Kugelkopfabschnitt mit einer Kugeloberfläche, einen Schaftabschnitt und einen Dichtabschnitt aufweist, wobei der Schaftabschnitt den Kugelkopfabschnitt mit dem Dichtabschnitt verbindet, wobei sich ausgehend vom Dichtabschnitt eine Öff nung innerhalb des Schaftabschnitts in Längsrichtung des Kolbens zum Kugelkopfab schnitt erstreckt, wobei der Kugelkopfabschnitt eine Mehrzahl von Schmiermittelkanä len aufweist, die die Öffnung mit der Kugeloberfläche verbinden und wobei erfin dungsgemäß ein jeder Schmiermittelkanal ausgehend von der Öffnung in Richtung der Kugeloberfläche einen sich kontinuierlich verändernden Kanaldurchmesser auf weist.
Während bisher lediglich eine zentrale Öffnung im Bereich der Kugeloberfläche, ge speist durch einen Schmiermittelstrom durch die Öffnung im Schaftabschnitt, für die Versorgung der Kugeloberfläche mit Schmiermittel vorhanden war, sind nun eine Mehrzahl an Schmiermittelkanälen vorgesehen, die eine Schmiermittelzuführung zu unterschiedlichen Oberflächenbereichen der Kugeloberfläche ermöglichen. So kann ein besonders gleichmäßig dicker Schmierfilm auf der Kugeloberfläche ausgebildet werden und die Schmierung verbessert werden. Die Gefahr, dass Bereiche der Ku geloberfläche mit Schmiermittel nicht versorgt oder unterversorgt werden, ist deutlich verringert. Dadurch, dass die Schmiermittelkanäle erfindungsgemäß einen, sich aus gehend von der Öffnung in Richtung der Kugeloberfläche kontinuierlich verändernden Kanaldurchmesser aufweisen, kann die Schmiermittelzuführung zur und ein Schmier mittelausfluß im Bereich der Kugeloberfläche vergleichmäßigt und die Schmierung verbessert werden.
Bevorzugt verringert sich der Kanaldurchmesser eines jeden Schmiermittelkanals ausgehend von der Öffnung kontinuierlich in Richtung der Kugeloberfläche. Ein Kanaldurchmesser kann sich aber ausgehend von der Öffnung in Richtung der Kugeloberfläche gesehen im Inneren des Kugelkopfabschnitts einmal oder mehrmals verengen und/oder erweitern.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Schmiermittelkanal ausgehend von der Öffnung geradlinig in Richtung Kugeloberfläche verläuft. Alternativ kann ein oder jeder Schmiermittelkanal ausgehend von der Öffnung in Richtung der Kugelober fläche gesehen einen gewundenen, abgewinkelten oder zumindest abweichend von einer Geraden ausgebildeten Verlauf aufweisen.
Im Kugelkopfabschnitt kann weiterhin ein jeder Schmiermittelkanal ein eigenes kleines Schmiermittelreservoir ausbilden, beispielsweise in örtlich begrenzten Bereichen, in denen sich der Schmiermittelkanal kurzfristig ballonförmig erweitert.
Die Öffnung ist bevorzugt koaxial und/oder konzentrisch zu einer Hauptachse des Kolbens angeordnet. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise zur hydraulischen Entlastung dienen. Vorzugsweise erstreckt sich in einer ersten Ausführungsform die Öffnung durch den Kugelkopfabschnitt bis zur Kugeloberfläche. Dabei kann ein Quer schnitt der Öffnung, zumindest im Bereich der Kugeloberfläche, geringer ausgebildet werden als bisher und somit die Tragfähigkeit des Kugelkopfabschnitts verbessert werden.
Die Schmiermittelaustrittsöffnungen der Schmiermittelkanäle weisen dabei im Bereich der Kugeloberfläche vorzugsweise den gleichen oder einen geringeren Querschnitt auf als die Öffnung.
Insbesondere hat es sich bewährt, wenn ein Durchmesser der Öffnung im Bereich des Schaftabschnitts in Richtung des Kugelkopfabschnitts abnimmt, insbesondere kontinu ierlich abnimmt. Dadurch wird der Druck auf die sich im Bereich des Kugelkopfab schnitts befindlichen Schmiermittelkanäle erhöht und die Verteilung des Schmiermit tels verbessert. Im Kugelkopfabschnitt ist optional ein Verteilerraum für Schmiermittel gebildet, in wel chen die Öffnung mündet und von dem die Schmiermittelkanäle abzweigen, um schließlich an der Kugeloberfläche zu münden. Der Verteilerraum bildet dabei einen Teil der Öffnung, wobei ein Durchmesser des Verteilerraums im Kugelkopfabschnitt vorzugsweise größer ist als ein Durchmesser der Öffnung im Schaftabschnitt.
Vorzugsweise sind Schmiermittelkanäle vorgesehen, deren Schmiermittelaustrittsöff nungen gleich groß ausgebildet sind. Je nach lokalem Bedarf an die Schmiermittel menge auf der Kugeloberfläche können aber auch unterschiedliche Querschnitte von Schmiermittelaustrittsöffnungen und/oder Schmiermittelkanälen ausgebildet sein.
Schmiermittelkanäle mit kreisrundem Querschnitt haben sich bewährt. Aber auch an dere Querschnittsformen, wie ovale, elliptische oder unregelmäßige Formen sind ver wendbar.
Bevorzugt ist in dem Dichtabschnitt eine Aussparung vorhanden, wobei die durch den Schaftabschnitt verlaufende Öffnung in die Aussparung mündet. Die Aussparung dient insbesondere zur Gewichtsreduzierung des Kolbens. Insbesondere ist die Aussparung als eine kegelförmige und/oder eine zylindrische und/oder eine konkave und/oder eine halbkugelartige Vertiefung ausgebildet. Die Aussparung ist vorzugsweise koaxial und/oder konzentrisch zu einer Hauptachse des Kolbens angeordnet. Im Speziellen ist die Aussparung an einer axialen Stirnseite des Dichtabschnitts angebracht und er streckt sich vorzugsweise axial in Richtung des Schaftabschnitts.
Vorzugsweise weist die Aussparung einen größeren Durchmesser als die Öffnung auf. Der Vorteil der Aussparung besteht darin, dass eine geringere Masse in der späteren Anwendung bewegt werden muss. Dadurch kann insbesondere das Betriebsverhalten einer Axialkolbenmaschine, die mit dem erfindungsgemäßen Kolben ausgebildet ist, verbessert werden.
Vorzugsweise ist eine Anzahl von mindestens fünf Schmiermittelkanälen im Bereich der Kugeloberfläche vorhanden. Insbesondere sind 5 bis 200, vorzugsweise 10 bis 30 Schmiermittelkanäle vorgesehen. Insbesondere weist jeder Schmiermittelkanal eine Schmiermittelaustrittsöffnung im Bereich der Kugeloberfläche auf, wobei die Schmiermittelaustrittsöffnungen statistisch, das heißt unregelmäßig, über die Kugel oberfläche verteilt sind. Alternativ ist auch eine symmetrische Anordnung der Schmiermittelaustrittsöffnungen vorteilhaft. Eine ausreichende Anzahl von Schmier mittelkanälen sichert den Aufbau eines gleichmäßig dicken Schmierfilms auf der Ku geloberfläche und damit eine gute Schmierung in diesem Bereich. Insbesondere kön nen in höher belasteten Bereichen der Kugeloberfläche mehr Schmiermittelöffnungen angeordnet werden als in geringer belasteten Bereichen.
Eine einzelne Schmiermittelaustrittsöffnung weist im Bereich der Kugeloberfläche ins besondere eine Querschnittsfläche im Bereich von > 0 bis 5 mm2 auf. Besonders be vorzugt ist eine Querschnittsfläche im Bereich von > 0,01 bis 0,8 mm2, insbesondere von > 0,01 bis 0,5 mm2.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsge mäßen Kolbens gelöst, indem zumindest der Kugelkopfabschnitt durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass auch komplexe For men und Verläufe von Schmiermittelkanälen im Kugelkopfabschnitt in kurzer Zeit ge bildet werden können. Das Verfahren eignet sich derzeit noch insbesondere für eine Kleinserienfertigung von Kolben. Vorzugsweise wird der Kolben insgesamt durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt.
Alternativ wird der Schaftabschnitt, der Dichtabschnitt und die Durchgangsöffnung mit tels Fließpressens hergestellt und der Kugelkopfabschnitt mittels des additiven Ferti gungsverfahrens an den Schaftabschnitt angeformt. Es kann auch eine separate Her stellung des Kugelkopfabschnitts mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erfol gen und dieser dann nachträglich mit dem Schaftabschnitt fest verbunden werden. Dazu eignet sich beispielsweise ein Schweiß-, Löt- oder Klebeverfahren.
Durch das Fließpressen wird eine endkonturnahe Schaftoberfläche des Schaftab schnitts erzeugt. Insbesondere ist die endkonturnahe Schaftoberfläche durch eine Mantelfläche des Schaftabschnitts gebildet. Alternativ oder optional ergänzend ist die endkonturnahe Schaftoberfläche durch einen Übergangsbereich zwischen dem Schaftabschnitt und dem Dichtabschnitt und/oder zwischen dem Schaftabschnitt und dem Kugelkopfabschnitt gebildet. Vorzugsweise ist der Übergangsbereich als ein Ra dius und/oder ein Konus ausgebildet, mit welchem der Schaftabschnitt auf den Kugel kopfabschnitt und/oder den Dichtabschnitt übergeht.
Alternativ oder optional ergänzend wird beim Fließpressen eine endkonturnahe Stirn fläche des Dichtabschnitts erzeugt. Insbesondere ist die endkonturnahe Stirnfläche in Bezug auf die Hauptachse des Kolbens durch eine axiale Stirnfläche des Dichtab schnitts gebildet. Bevorzugt ist die Stirnfläche als eine Kreisringfläche ausgebildet.
Insbesondere ist durch das Fließpressen eine Oberflächengüte der endkonturnahen Schaftoberfläche oder Stirnfläche erzeugt, welche den Oberflächenanforderungen des fertigen Kolbens entspricht. Somit müssen die endkonturnahe Schaftoberfläche oder die Stirnfläche nicht nachbearbeitet werden, wodurch die Herstellungskosten des Kol bens deutlich reduziert sind. Ferner bilden die Oberflächenbeschaffenheit der endkon turnahen Flächen sowie der Faserverlauf im Inneren des Kolbens eindeutige Identifi zierungsmerkmale für einen teilweise durch Fließpressen hergestellten Kolben.
In einer weiteren Ausführungsform des Kolbens wird eine Kalottengeometrie an einer Umfangsfläche des Dichtabschnitts durch Zerspanen erzeugt. Die Kalottengeometrie verhindert insbesondere ein Verkeilen des Kolbens in einer Zylinderbohrung einer Axialkolbenmaschine. Vorzugsweise ist diese Kalottengeometrie als eine rotations symmetrische Mantelfläche eines Kugelsegmentes ausgebildet. Besonders bevorzugt wird die Kalottengeometrie durch Drehen gefertigt. Im Speziellen werden die Kalot tengeometrie, die Aussparung sowie die Öffnung im Schaftabschnitt in einem gemein samen Zerspanungsprozess erzeugt. Die Kugelgeometrie des Kugelkopfabschnitts ist vorzugsweise spanend nachbearbeitet.
Der Kolben ist vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff gebildet, insbesondere aus Stahl. Der Stahl ist vorzugsweise gehärtet. Insbesondere entsprechen die Schaftober fläche des Schaftabschnitts und/oder die Stirnfläche des Dichtabschnitts nach dem Härtungsprozess der Endkontur des Kolbens. Eine Axialkolbenmaschine mit mindestens einem erfindungsgemäßen Kolben hat sich bewährt, bei welcher der Kolben als ein Axialkolben ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei der Axialkolbenmaschine um eine Axialkolbenpumpe oder einen Axialkolbenmotor.
Die Axialkolbenpumpe setzt insbesondere mechanische Energie in hydraulische Energie um. Der Axialkolbenmotor setzt insbesondere hydraulische Energie in me chanische Energie um. Diese Axialkolbenmaschinen können ein Gehäuse umfassen, in dem sich ein Rotor und eine Scheibe jeweils um eine Rotationsachse dreht, wobei die beiden Rotationsachsen einen Winkel bilden, sodass der Rotor relativ zu der Scheibe gewinkelt ist. Der Rotor weist jeweils eine oder mehrere Zylinderbohrungen zur Aufnahme des Kolbens auf. Der Kolben ist einerseits, beispielsweise über einen Kugelkopf, gelenkig mit der Scheibe und andererseits in der Aufnahme des Kolbens geführt aufgenommen. Wenn sich der Rotor in Bezug auf das Gehäuse dreht, bewegt sich jeder Kolben axial in der Aufnahme. Vorzugsweise ist die Axialkolbenmaschine als eine Schrägachsenmaschine oder eine Schrägscheibenmaschine oder eine Tau melscheibenmaschine ausgebildet. Insbesondere weist die Axialkolbenmaschine mehr als zwei, vorzugsweise mehr als vier, im Speziellen mehr als acht der Kolben auf. Bevorzugt weist die Axialkolbenmaschine eine ungerade Anzahl der Kolben auf.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zei gen:
Figur 1 in einer Schnittdarstellung eine Axialkolbenmaschine mit einem Axialkol ben als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 den Kolben aus Figur 1 im Längsschnitt;
Figur 3 einen weiteren Kolben im Längsschnitt; und
Figur 4 noch einen weiteren Kolben im Längsschnitt.
Figur 1 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Axialkolbenmaschine 1 , welche bei spielsweise für eine Baumaschine ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Axialkol benmaschine 1 ist als eine Schrägachsenpumpe ausgebildet, welche bevorzugt me- chanische Energie in hydraulische Energie umwandelt. Die Axialkolbenmaschine 1 weist mehrere Kolben 2, einen Rotor 3 sowie eine Scheibe 4 auf. Die Axialkolbenma schine 1 weist beispielsweise neun der Kolben 2 auf, wobei die Kolben 2 als Axialkol ben ausgebildet sind. Die Kolben 2 sind über ein Kugelgelenk 5 mit der Scheibe 4 ge lenkig verbunden.
Der Rotor 3 rotiert in einem Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 um eine erste Rotati onsachse R1. Der Rotor 3 ist als ein Kolbengehäuse ausgebildet und weist hierzu mehrere Zylinderbohrungen 6 auf, wobei jeder Kolben 2 in einer der Zylinderbohrun gen 6 beweglich angeordnet und in axialer Richtung in Bezug auf die erste Rotations achse R1 geradgeführt ist. Die Zylinderbohrungen 6 sind gleichmäßig voneinander beabstandet um die Rotationsachse R1 angeordnet.
Die Scheibe 4 rotiert in einem Betrieb der Axialkolbenmaschine 1 um eine zweite Ro tationsachse R2, wobei sich die erste und die zweite Rotationsachse R1 , R2 schnei den, sodass der Rotor 3 relativ zu der Scheibe 4 gewinkelt angeordnet ist. Durch eine Drehung der Scheibe 4 werden die Kolben 2 in den Zylinderbohrungen 6 hin und her bewegt, sodass diese beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit fördern.
Figur 2 zeigt einen der Kolben 2 aus Figur 1 im Längsschnitt entlang einer Hauptach se H des Kolbens 2. Der Kolben 2 ist insgesamt durch ein additives Fertigungsverfah ren hergestellt und aus Stahl oder Kunststoff gebildet. Der Kolben 2 weist einen Ku gelkopfabschnitt 7a mit einer Kugeloberfläche 17, einen Schaftabschnitt 7b und einen Dichtabschnitt 7c auf. Der Schaftabschnitt 7b verbindet den Kugelkopfabschnitt 7a mit dem Dichtabschnitt 7c, wobei sich ausgehend vom Dichtabschnitt 7c eine Öffnung 15 innerhalb des Schaftabschnitts 7b in Längsrichtung des Kolbens 2 zum Kugelkopfab schnitt 7a erstreckt. Der Kugelkopfabschnitt 7a weist eine Mehrzahl von Schmiermit telkanälen 18 auf, die die Öffnung 15 mit der Kugeloberfläche 17 verbinden. Die Schmiermittelkanäle 18 münden jeweils in einer, hier kreisförmig ausgebildeten, Schmiermittelaustrittsöffnung 18b. Dabei zweigen die Schmiermittelkanäle 18, die ei nen geringeren Durchmesser als die Öffnung 15 aufweisen, von einem Verteilerraum 19 für Schmiermittel im Kugelkopfabschnitt 7a ab. Dabei sind die Schmiermittelkanäle 18 hier ausgehend vom Verteilerraum 19 geringfügig gebogen ausgebildet, das heißt sie folgen in ihrem Verlauf nicht einer Geraden.
Der Dichtabschnitt 7c ist in Bezug auf die Hauptachse H als ein umlaufender Kragen ausgebildet, welcher sich radial nach außen hin erstreckt. Der Dichtabschnitt 7c weist eine endkonturnahe Stirnfläche 13 auf. Der Dichtabschnitt 7c weist eine Aussparung 10 auf, welche ausschnittsweise in einer vergrößerten Detailansicht dargestellt ist. Die Aussparung 10 ist als eine Zylindersenkung mit einem nach innen gewölbten Boden bereich ausgebildet. Die Aussparung 10 ist koaxial und/oder konzentrisch zu der Hauptachse H an einer axialen Stirnfläche 13 des Dichtabschnitts 7c angeordnet. Die Aussparung 10 dient zur Gewichtsreduzierung des Kolbens 2 und erstreckt sich hierzu über beispielsweise mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 70%, im Speziellen mehr als 80% der Stirnfläche 13 des Dichtabschnitts 7c. Die Stirnfläche 13 ist als eine Kreisringfläche ausgebildet und ist durch die Aussparung 10 in radialer Richtung be grenzt.
Der Dichtabschnitt 7c weist an einer Umfangsfläche eine Kalottengeometrie 16 auf, welche ebenfalls in der vergrößerten Detailansicht dargestellt ist. Die Kalottengeomet rie 16 dient beispielsweise dazu, ein Verkeilen des Kolbens 2 in der Kolbenaufnahme 6 (vergleiche Figur 1 ) zu verhindern. Hierzu wird die Umfangsfläche des Dichtab schnitts 7c spanend bearbeitet, sodass die Kalottengeometrie 16 erzeugt wird. Bei spielsweise können die Aussparung 10, die Öffnung 15 und die Kalottengeometrie 16 in einem gemeinsamen Zerspanungsprozess gebildet werden.
Der Schaftabschnitt 7b weist eine zylindrische Form auf, wobei der Schaftabschnitt 7b mit dem Kugelkopfabschnitt 7a in einem ersten Übergangsbereich 11 a über einen Radius verbunden ist. In einem zweiten Übergangsbereich 11 b ist der Schaftabschnitt 7b über eine in Richtung des Dichtabschnitts 7c verlaufende konusförmige Verbreite rung und über einen weiteren Radius mit dem Dichtabschnitt 7c verbunden. Der erste und der zweite Übergangsbereich 11 a, 11 b sowie die Mantelfläche des zylindrischen Schaftabschnitts 7b bilden eine endkonturnahe Schaftoberfläche 12 des Schaftab schnitts 7b. Zur Fertigstellung des Kolbens 2 wird dieser beispielsweise gehärtet, bevor oder nachdem der Kugelabschnitt 7a, insbesondere die Kugeloberfläche 17 und der Dicht abschnitt 7c, insbesondere die Kalottengeometrie 16, auf Endkontur bearbeitet wer den. Beispielsweise werden in einem Nachbearbeitungsprozess die Kugeloberfläche 17 und die Kalottengeometrie 16 in einem Hartdreh-, Schleif- und/oder Superfinish- Prozess bearbeitet. Dabei wird gegebenenfalls auch eine Dichtmittelaufnahme, wel che beispielsweise zur Aufnahme mindestens eines Kolbenrings ausgebildet ist, im Bereich der Kalottengeometrie 16 eingebracht.
Eine Maßveränderung des Kolbens 2 durch den Härteprozess wird bereits in der Aus legung des Kolbens 2 berücksichtigt. Der Herstellungsprozess wird entsprechend op timiert, so dass alle nicht nachzubearbeitenden Konturen und Maße, insbesondere die endkonturnahe Schaftoberfläche 12 und die endkonturnahe Stirnfläche 13, nach ei nem Härteprozess der Endkontur entsprechen.
Figur 3 zeigt einen weiteren Kolben 2' im Längsschnitt. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Hier erstreckt sich die Öffnung 15 durch den Kugelkopfabschnitt 7a mit gleichem Durchmesser hindurch bis zur Kugeloberfläche 17. Der Kanalquerschnitt 18a der Schmiermittelkanäle 18, die von der Öffnung 15 im Bereich des Kugelkopfabschnitts 7a abzweigen, ist geringer als der Durchmesser der Öffnung 15 und verändert sich kontinuierlich in seinem Verlauf, wobei hier lediglich ei ne schematische Darstellung gewählt wurde, die dieses Detail nicht aufzeigt.
Figur 4 zeigt noch einen weiteren Kolben 2" im Längsschnitt. Gleiche Bezugszeichen wie in Figur 2 oder 3 kennzeichnen gleiche Elemente. Hier erstreckt sich die Öffnung 15 bis zum Kugelkopfabschnitt 7a. Dort zweigen Schmiermittelkanäle 18 von dieser ab, deren Querschnitte beziehungsweise Kanaldurchmesser sich in Richtung der Ku geloberfläche 17 kontinuierlich verringern.
Figur 5 zeigt eine Ansicht des Kolbens 2" aus Figur 4 in Richtung der Hauptachse H auf die Kugeloberfläche 17 gesehen. Es ist die Anordnung der Schmiermittelaustritts öffnungen 18b der Schmiermittelkanäle 18 über die Kugeloberfläche 17 erkennbar. Die Anordnung der Schmiermittelaustrittsöffnungen 18b im Bereich der Kugeloberflä che 17 kann gleichmäßig verteilt sein. Insbesondere kann aber auch eine Häufung von Schmiermittelaustrittsöffnungen 18b im Bereich besonders reib- oder verschleiß belasteter Bereiche der Kugeloberfläche 17 vorhanden sein.
Bezuqszeichenliste
1 Axialkolbenmaschine
2 Kolben
3 Rotor
4 Scheibe
5 Kugelgelenk
6 Zylinderbohrung
7a Kugelkopfabschnitt
7b Schaftabschnitt
7c Dichtabschnitt
10 Aussparung
11 a erster Übergangsbereich
11 b zweiter Übergangsbereich
12 endkonturnahe Schaftoberfläche
13 endkonturnahe Stirnfläche
15 Öffnung
16 Kalottengeometrie
17 Kugeloberfläche
18 Schmiermittelkanal
18a Kanaldurchmesser
18b Schm ierm ittelaustrittsöffnung
19 Verteilerraum
H Hauptachse
R1 erste Rotationsachse
R2 zweite Rotationsachse

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (2) für eine Axialkolbenmaschine (1 ), wobei der Kolben (2) einen Kugel kopfabschnitt (7a) mit einer Kugeloberfläche (17), einen Schaftabschnitt (7b) und ei nen Dichtabschnitt (7c) aufweist, wobei der Schaftabschnitt (7b) den Kugelkopfab schnitt (7a) mit dem Dichtabschnitt (7c) verbindet, wobei sich ausgehend vom Dicht abschnitt (7c) eine Öffnung (15) innerhalb des Schaftabschnitts (7b) in Längsrichtung des Kolbens (2) zum Kugelkopfabschnitt (7a) erstreckt, wobei der Kugelkopfabschnitt (7a) eine Mehrzahl von Schmiermittelkanälen (18) aufweist, die die Öffnung (15) mit der Kugeloberfläche (17) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Schmiermittelkanal (18) ausgehend von der Öffnung (15) in Richtung der Kugelober fläche (17) einen sich kontinuierlich verändernden Kanaldurchmesser (18a) aufweist.
2. Kolben (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaldurchmesser (18a) eines jeden Schmiermittelkanals (18) sich ausgehend von der Öffnung (15) in Richtung des Kugelkopfabschnitts (7a) kontinuierlich verringert.
3. Kolben (2) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (15) sich durch den Kugelkopfabschnitt (7a) bis zur Kugeloberfläche (17) er streckt.
4. Kolben (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Dichtabschnitt (7c) eine Aussparung (10) vorhanden ist, wobei die Öffnung (15) in die Aussparung (10) mündet.
5. Kolben (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von mindestens fünf Schmiermittelkanälen (18) vorhanden ist.
6. Kolben (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schmiermittelkanal (18) eine Schmiermittelaustrittsöffnung (18b) im Bereich der Ku geloberfläche aufweist, wobei die Schmiermittelaustrittsöffnungen (18b) statistisch über die Kugeloberfläche (17) verteilt sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kugelkopfabschnitt (7a) durch ein addi tives Fertigungsverfahren hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das der Kolben (2) insge samt durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (2) nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Schaftabschnitt (7b), der Dichtabschnitt (7c) und die Durchgangs- Öffnung (15) mittels Fließpressens hergestellt wird und dass der Kugelkopfabschnitt mittels des additiven Fertigungsverfahrens an den Schaftabschnitt (7b) angeformt wird.
10. Axialkolbenmaschine (1 ) mit mindestens einem Kolben (2) nach einem der An- Sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) als ein Axialkolben ausgebildet ist.
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