(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側チューブ（４０′）を有し、該外側チューブ（４０′）が、スカート部分（４２）とネック部分（４４）を介してスカート部分（４２）に連結されたボールジョイント部分（４３）とに形成されている静流体圧機械（１）用ピストン（１０）において、
内側チューブ（４１′）を有し、該内側チューブが、外側チューブ（４０）の全長に亘って外側チューブの内部で延びかつボールジョイント部分側の共通端部（４７）およびスカート部分側の共通端部（４８）でシール効果をなして外側チューブ（４０′）に固定されており、内側チューブ（４１′）の外径および外側チューブ（４０′）の内径は、少なくともスカート部分（４２）の領域において内側チューブ（４１′）と外側チューブ（４０′）との間にキャビティ（５１）を形成する寸法を有することを特徴とする静流体圧機械用ピストン。
【請求項２】
前記ボールジョイント（４３）部分の領域における内側チューブ（４１′）と外側チューブ（４０′）との間には、他のキャビティ（５２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記外側チューブ（４０′）は、ネック部分（４４）の領域において内側チューブ（４１′）に当接していることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
【請求項４】
前記ボールジョイント部分側の端部（４７）および／またはスカート部分側の端部（４８）および／またはネック部分（４４）の領域には、トラフ（４９）および／または肩部（５０）が形成されており、前記外側チューブ（４０′）が、トラフまたは肩部内にまたはこれらに当接してぴったり配置され、内側チューブ（４１′）を軸線方向に固定していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項５】
前記内側チューブ（４１′）の開口断面積は、トラフ（４９）および／または肩部（５０）の領域において、内側チューブ（４１′）を通る圧力流体の流れを絞るフロースロットル（５３、５４）が形成される程度まで縮小されていることを特徴とする請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
前記外側チューブ（４０′）の強度は、内側チューブ（４１′）の強度より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のピストン。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン（１０）の製造方法において、内側チューブ（４１′）の素材（４１）を外側チューブ（４０′）の素材（４０）内に挿入する工程と、スカート部分（４２）と、ボールジョイント部分（４３）と、ネック部分（４４）とを形成して、外側チューブ（４０′）がボールジョイント部分側の共通端部（４７）およびスカート部分側の共通端部（４８）において内側チューブ（４１′）に当接するように外側チューブ（４０′）の素材（４０）を成形することを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項８】
前記内側チューブ（４１′）にトラフ（４９）および／または肩部（５０）が形成され、トラフまたは肩部で内側チューブ（４１′）が外側チューブ（４０′）に固定されるまで外側チューブ（４０′）と内側チューブ（４１′）とを一緒に更に成形することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記外側チューブ（４０′）は、該外側チューブ（４０′）がネック部分（４４）の領域においても内側チューブ（４１′）に当接するように成形されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記内側チューブ（４１′）は、所定の開口断面積をもつフロースロットル（５３、５４）がトラフ（４９）および／または肩部（５０）の領域に形成されるまで成形されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記内側チューブ（４１′）が成形される前に、詳細には中空円筒状または円筒状の固定本体を内側チューブ（４１′）内に挿入する工程を更に有し、前記固定本体はフロースロットル（４３、４４）の開口断面積を決定しかつ内側チューブ（４１′）が成形された後に内側チューブ（４１′）から除去されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ピストン（１０）の外形（５７）が、特に機械加工工程により修正されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は静流体圧機械（hydrostatic machine）、より詳しくはアキシャルピストン機械用ピストン、およびこの種のピストンの製造方法に関する。
アキシャルピストン機械に通常使用されている中実ピストンは、比較的高い回転速度での作動に限界を設定する。高回転速度は、高遠心力によるシリンダの強度上の問題および高慣性力によるピストン保持装置の強度上の問題、並びに、遠心力から生じる摩擦力によるピストンとシリンダとの間の接触表面での熱的問題を引き起こす。従って、高回転速度でアキシャルピストン機械を作動させるには中空ピストンが使用されている。
中空ピストンは種々の設計のものが既に知られており、一般に、切削加工法（machining manufacturing process）により製造される。作動シリンダの方向に開口しているキャビティを備えた構造は、各ピストンストローク毎にキャビティが圧力流体で充填されるという欠点を有する。従って、この体積領域は、ピストンストローク毎に圧縮および膨張され、この結果、効率が低下する。従って、中空ピストンのキャビティをシールするのが有効である。今までの通常の手法では、スピン溶接、電子ビーム溶接またはレーザ溶接によりピストンの主本体に連結されるカバーで中空ピストンを閉鎖することである。この種の中空ピストンは、例えばドイツ国特許公開第23 64 725（DE-OS）号から知られている。電子ビーム溶接またはレーザ溶接により製造される中空ピストンは、例えばドイツ国特許公開第36 02 651（A1）号および米国特許第3,319,575号に開示されている。
これらの既知の中空ピストンに共通の特徴は、カバーを主本体に溶接する前に、主本体およびカバーを複雑な切削加工法で予製造する必要があることである。次に必要なことは、次の切削加工工程でピストンの外形を修正すること、およびボールヘッドに連結される摺動ブロックの圧力ポケットに圧力流体を供給するための中央ボアを形成することである。従って、既知の中空ピストンが関係する全体的結論は、比較的複雑でかつコストが嵩む製造方法であるといえる。また、比較的多量の資材在庫も必要とされる。
従って、本発明の出発点は、管状素材から製造されかつドイツ国特許第34 06 782（C2）号から知られている、特許請求の範囲の請求項１の前提部に記載のピストンである。これらのピストンの製造方法は、切削加工工程を必要としないため比較的安価であり、ピストンは管状素材を転造することにより特に容易に得られる。しかしながら、これまでは、この既知の方法で静流体圧機械の作動シリンダの方向がシールされたキャビティをもつ中空ピストンを製造することは不可能であった。
更に指摘すべき事項は、切削加工法により製造されかつアキシャルピストン機械の作動シリンダの方向に開口している中空ピストン内に管状スリーブを挿入して、スリーブと中空ピストンとの間のキャビティを軽量材料で充填することがドイツ国特許第37 32 648（C2）号から知られていることである。しかしながら、この場合には、内側チューブはボールヘッドの領域内には延入しておらず、ボールヘッドは、成形外側チューブではなく複雑な切削加工法で製造された中実本体により形成されている。
本発明の目的は、特に簡単な形式の少なくとも１つのシール形キャビティを備えた静流体圧機械用中空ピストンを提供すること、およびコストを節約できる製造工程でかつ少ない必要材料でこの種の中空ピストンを製造できる方法を開示することにある。
上記目的は、構造の特徴に関する特許請求の範囲の請求項１に記載された特徴をもつ本発明のピストンと、請求項７に記載された特徴をもつ製造方法とにより達成される。
本発明は、中空ピストンを製造する管状素材からピストンを形成する既知の成形方法は、第２管状素材を内側チューブとして成形する前に、外側チューブとして機能する第１素材内に挿入される第２管状素材を用いることにより発展させることができるとの認識に基づいている。外側チューブは、次に、該外側チューブが少なくとも端部領域において内側チューブに当接するまで成形される。更に成形すると、内側チューブにトラフ（凹部）または肩部が形成され、これらのトラフまたは肩部が内側チューブを外側チューブに軸線方向に固定する。これにより、内側チューブと外側チューブとの間に形成されたキャビティを備え、該キャビティが外部に対してシールされている構成のピストンが製造される。ピストンは、いかなる切削加工工程も用いることなく、ロータリスエージング法で製造できる。この製造方法は、特に、大量バッチの連続製造の場合にコスト節約性の点で優れている。また、切削加工法に比べて材料を特に有効に利用でき、このことは、比較的高価な合金を用いる場合に特に重要である。管状内側素材を使用すると、圧力流体を摺動ブロックに供給するための中央ボアを設ける必要性をなくすことができる。他の長所は、内側チューブは外側チューブに比べて受ける荷重が小さいため、比較的安価な材料を使用できることにある。これにより、製造コストを更に節約できる。
特許請求の範囲の請求項２〜６には、本発明によるピストンの長所がカバーされている。
請求項２によれば、ボールジョイント部分の領域における内側チューブと外側チューブとの間に、他のキャビティを形成できる点で特に優れている。この構成により、本発明のピストンの重量を更に低減できる。請求項３によれば、外側チューブは、ボールジョイント部分とスカート部分とを連結するネック部分の領域において、内側チューブにぴったりと当接される。これにより、内側チューブは、外側チューブが成形されるときに、ネック部分の成形された直径を形成する。
請求項４によれば、内側チューブは、ボールジョイント部分側の端部および／またはスカート部分側の端部において、更にはネック部分の領域においてもトラフおよび／または肩部を有し、これらのトラフおよび／または肩部は、外側チューブおよび内側チューブが成形されるときに形成され、これにより、外側チューブは、この領域において内側チューブにぴったり当接する。これにより、内側チューブは、外側チューブ内で軸線方向に固定される。
請求項５によれば、内側チューブの開口断面積は、トラフおよび／または肩部の領域において、フロースロットルが形成される程度まで縮小される。フロースロットルの開口断面積は、内側チューブの成形により定めることができる。
請求項８〜１２は、本発明による製造方法の長所をカバーしている。
請求項９によれば、外側チューブは、該外側チューブがネック部分の領域においても内側チューブに当接するように成形できる。これにより、本発明によるピストンの強度および撓み剛性が更に改善される。請求項１０によれば、内側チューブが成形されるとき、所定の開口断面積をもつフロースロットルが、軸線方向の固定目的に使用されるトラフおよび／または肩部の領域に形成される程度まで成形される点で優れている。請求項１１によれば、フロースロットルの開口断面積は、内側チューブが成形される前に、固定本体を内側チューブ内に挿入することにより決定でき、この固定本体は、内側チューブが成形された後に再び除去される。
以下、好ましい実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１Ａは、本発明によるピストンを製造するための外側チューブの素材を通る縦断面図であり、
図１Ｂは、本発明によるピストンを製造するための内側チューブの素材を通る縦断面図であり、
図１Ｃは、外側チューブおよび内側チューブの成形後の本発明によるピストンを通る縦断面図であり、
図１Ｄは、完成状態の本発明によるピストンを通る縦断面図であり、そして、
図２は、本発明によるピストンが使用されたアキシャルピストン機械を通る縦断面図である。
本発明を一層理解できるようにするため、本発明による中空ピストンを用いたアキシャルピストン機械を、図２に基づいて最初に説明する。しかしながら、本発明はアキシャルピストン機械に限定されるものではない。それどころか、本発明による中空ピストンは種々のピストン機械に使用できる。図２に示すアキシャルピストン機械は、本発明による中空ピストンよりも、むしろ慣用的な中空ピストンの方が適している。
図２に示すアキシャルピストン機械１は、押しのけ容積を調節できる斜板設計のアキシャルピストン機械であり、重要部品として、中空円筒状ケーシング２と、該ケーシングに固定される連結ブロック３と、斜板４と、制御本体５と、駆動軸６と、シリンダバレル７とを備え、該シリンダバレル７には、シリンダボア８、９が半径方向に均等に分布された態様で配置されている。シリンダボア８、９内には中空ピストン１０、１１が変位可能な態様で配置されており、ボールジョイント部品（この実施形態では、中空ピストン１０、１１のボールヘッド１２、１３として形成されている）は、摺動ブロック１４、１５を介して斜板４により支持されている。
ケーシング２の凸状部１６内に収容された作動装置１７が、連結ブロック３の方向に延びているアーム１８を介して斜板４に作用し、該斜板４を、枢動方向に対して垂直な枢軸線の回りで枢動させる。
制御本体５は連結ブロック３のケーシング内部を向いた内面に固定されており、制御本体５には腎臓形の制御スロット１９、２０の形態をなす２つの貫通開口が設けられている。制御スロット１９、２０は、それぞれ、連結ブロック３の圧力ポート２１および吸込みポート２２を介して、圧力ラインおよび吸込みライン（両ラインとも図示せず）に連通している。ケーシングの内部を向いた制御本体５の球状制御面は、シリンダバレル７の支持面として機能する。
駆動軸６はケーシングの端壁２３の貫通ボアを通ってケーシング２内に突出しており、かつベアリング２４を介してこの貫通ボア内におよび他のベアリング２５を介して連結ブロック３内に回転可能に取り付けられている。シリンダバレル７は、キー溝連結２６を介して、捩り保証態様で駆動軸６に連結されている。
シリンダボアには、制御本体５の制御スロット１９、２０と同じピッチ円上に開口する出口ポート２７、２８が設けられている。シリンダボア８、９内には、それぞれのライナ２９、３０が挿入されている。各摺動ブロック１４、１５の、斜板４の摺動板３１に対面する側の摺動面にはそれぞれの圧力ポケット（図示せず）が設けられている。該圧力ポケットは、摺動ブロック１４、１５のそれぞれの貫通ボア３２、３３を介して、関連ピストン１０、１１の段状軸線方向貫通ポート３４、３５と連通しており、かくして、シリンダボア８、９内のピストン１０、１１により境界が定められるシリンダ作動空間に連結されている。
この設計のアキシャルピストン機械についての詳細な説明は、ドイツ国特許公開44 23 023（A1）号を参照されたい。
本発明は、中空ピストン１０、１１の開発に関するものである。
図１Ａおよび図１Ｂは、図１Ｃの中間状態および図１Ｄの完成状態にそれぞれ示す本発明の中空ピストン１０′１０に使用する２つの管状素材４０、４１を示す。図１Ａおよび図１Ｂは、両図面とも、素材４０、４１を通る縦断面図であり、一方、図１Ｃおよび図１Ｄは、本発明による中空ピストン１０の全体を通る縦断面図である。図１Ａに示す均一壁厚を有する中空円筒状素材４０は、本発明による中空ピストン１０の外側チューブ４０′を形成し、一方、同じく均一壁厚中空円筒状素材４１は、本発明による中空ピストン１０の内側チューブ４１′を形成する。
図１Ｃに示す中間部品を製造するため、内側チューブ４１′の素材４１が外側チューブ４０′の素材４０内に導入され、その後、外側チューブ４０′の素材４０が、図１Ｃに示すように、スカート部分４２と、ボールジョイント部分４３と、ボールジョイント部分４３をスカート部分４２に連結するネック部分４４とを形成すべく成形される。これは、図１Ｃに示す中間状態における中空ピストンの所定の外形を定めるダイ内で素材４１を転造またはロータリスエージングすることにより行なうのが好ましい。素材４０、４１は、冷間状態で成形するのが好ましい。外側チューブ４０′を形成する素材４０が成形されたならば、スカート部分４２には、本発明によるピストン１０の支持面を形成する円筒状表面４５が形成される。ボールジョイント部分４３の球状表面４６も形成される。ボールジョイント部分４３は、図１Ｃおよび図１Ｄに示す実施形態によるボールヘッドであって、摺動ブロック１４、１５に形成された球状凹部と協働するボールヘッドであることが好ましい。しかしながら、逆に、中空ピストン１０のボールジョイント部分４３を球状凹部として形成し、関連する摺動ブロック１４、１５の対応ボールヘッドと協働するように構成することもできる。
外側チューブ４０′を形成する素材４０が成形されるとき、この素材４０は、外側チューブ４０′が、ボールジョイント部分側の端部４７およびスカート部分側の端部４８で内側チューブ４１′に当接する程度まで、最初に成形される。さらに、外側チューブ４０′は、ネック部分４４の領域において、外側チューブ４０′が内側チューブ４１′にぴったり一致する程度まで成形されるのが好ましい。これにより、ネック部分４４の直径は、内側チューブ４１′の外径と、外側チューブ４０′の壁厚とによって予め定められたものとなる。次に、外側チューブ４０′は、ボールジョイント部分側の端領域４７およびスカート部分側の端領域４８において、内側チューブ４１′が内方に押し込まれる程度の半径方向内向きの成形力で成形される。これにより、図示の実施形態では、ボールジョイント部分側の端部４７において内側チューブ４１′にトラフ４９が生じ、スカート部分側の端部４８において内側チューブ４１′に肩部５０が生じる。外側チューブ４０′および内側チューブ４１′は、トラフ４９および肩部５０の領域において外側チューブ４０′が内側チューブ４１′にぴったりと密接するように塑性変形される。かくして、内側チューブ４１′が外側チューブ４０′に固定される。更に、ネック部分４４の領域における内側チューブ４１′をトラフのように成形して、ネック部分の領域における内側チューブ４１′と外側チューブ４０′との間に、軸線方向の付加固定機構を創成することもできる。
この場合、内側チューブ４１′の外径および外側チューブ４０′の内径は、少なくともスカート部分４２の領域において、互いに環状キャビティ５１を創成することができる。これも図１Ｃおよび図１Ｄの実施形態に示すように、ボールジョイント部分４３の領域において内側チューブ４１′と外側チューブ４０′との間に他のキャビティ５２を創成することも好ましい。２つのキャビティ５１、５２は気密シールされ、好ましくは、ボールジョイント部分側の端領域４７およびスカート部分側の端領域４８において、外側チューブ４０′および内側チューブ４１′を一体に圧搾することにより外部に対して液密構造にして、圧力流体がこれらのチューブ４１、４２に流入しないようにするのが好ましい。所望ならば、内側チューブ４１′および外側チューブ４０′を更に一体溶接することもできる。
キャビティ５１、５２は、本発明による中空ピストン１０の重量を、慣用的な中実設計のピストンに比べて大幅に低減させ、これにより、ピストン１０が発生する遠心力および慣性力も大幅に低減される。また、内側チューブ４１′に例えばアルミニウムのような低い相対密度をもつ材料を使用することにより、一層の重量低減を達成できる。これは、内側チューブ４１′が受ける機械的荷重は外側チューブ４０′に比べてかなり小さいため可能である。他方で、内側チューブ４１′には安価で品質の劣る材料を使用することもでき、これにより本発明の中空ピストン１０の製造コストを更に下げることができる。
内側チューブ４１′に形成されたトラフ４９および肩部５０は、同時にフロースロットルとして有効に機能し、これにより、内側チューブ４１′の内部５５を介して摺動ブロック１４、１５の圧力ポケットに向かって流れる圧力流体は絞られる。フロースロットル５３、５４の所望の開口断面積は、トラフ４９および肩部５０の領域における内側チューブ４１′の成形により定めることができる。フロースロットル５３、５４の開口断面積は、異なるダイまたは異なる半径方向接触力を用いることにより変えることができる。例えば中空円筒状または円筒状の固定本体（図示せず）を、トラフ４９および／または肩部５０の領域において内側チューブ４１′内に挿入しておき、内側チューブ４１′が成形されるときに、固定本体が残余の開口断面積を定めるように構成するのが有効である。固定本体は、内側チューブ４１′が成形された後に除去することができる。
また、好ましくは、トラフ４９は、ボールジョイント部分側の内側チューブ４１′の内部の口にトランペット形開口５６を形成する。このトランペット形開口は関連する摺動ブロック１４、１５の対応するトランペット形開口と協働して、中空ピストン１０の各角度位置において中空ピストン１０と摺動ブロック１４、１５との間の圧力流体連結を保証する。
図１Ｄは、完成した状態の本発明による中空ピストン１０を示す。本発明による中空ピストン１０は、好ましくは切削加工工程で、図１Ｃの破線外形線に沿って修正され、所望の最終外形をもつ中空ピストン１０を得る。しかしながら、この仕上げ工程は省略するか、本発明による中空ピストン１０の所望の外形に基づいて、例えば研摩により支持面４５のみの切削加工に限定することができる。
本発明の開発により、重量が小さくかつ比較的低コストで製造できる中空ピストンが得られる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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