DE102004033321B4 - Axialkolbenmaschine mit Verschleißschutzschicht - Google Patents

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Abstract

Axialkolbenmaschine (1) mit einer Steuerplatte (4) und einer relativ zur Steuerplatte (4) rotierenden Zylindertrommel (6), welche aufeinander reiben bzw. gleiten, wobei die Steuerplatte (4) mit einer ersten Gleitseite (44) auf einer zweiten Gleitseite (45) der Zylindertrommel (6) reibt bzw. gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleitseite (44, 45) eine kohlenstoffhaltige Schicht (46) aufweist und die jeweils andere Gleitseite (44, 45) aus Metall besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine als Axialkolbenmaschine ausgeführte hydrostatische Maschine.
  • Beispielsweise wird in der DE 102 23 844 A1 eine Axialkolbenmaschine mit einer Steuerplatte und einer auf der Steuerplatte gleitenden Zylindertrommel beschrieben. Auf den dabei zugepaarten, aufeinander reibenden Flächen ist auf einer Seite eine Kunststoffschicht und auf der anderen Seite eine kohlenstoffhaltige Schicht angeordnet.
  • Aufgrund der zweiachsigen Belastung in axialer und radialer Richtung und durch Kavitation sind die Bereiche der einander zuweisenden Flächen der Steuerplatte und der Zylindertrommel erhöhten Belastungen ausgesetzt. Dies schließt die normalerweise vorhandenen Kerben zur Vermeidung von schnellen Druckschwankungen an den Steueröffnungen der Steuerplatte ein. Besonders werden die zueinander weisenden Flächen auch durch ein Zurückfallen der Zylindertrommel bzw. der Druckplatte auf die Steuerplatte beansprucht.
  • Nachteilig bei der oben genannten Axialkolbenmaschine ist, daß bei ölhaltigen Fördermedien die Kunststoffschicht unvorteilhaft mit dem Fördermedium reagieren kann und die Kunststoffschicht dadurch einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt ist. Insbesondere kann es bei schnellen Lastwechseln und hohen Arbeitsdrücken zu Dampfblasenbildung und anschließenden Druckimpulsen, sog. Kavitation, im Hydraulikmedium kommen, und zu dem bereits erwähnten Zurückfallen der Zylindertrommel bzw. der Druckplatte kommen, wobei die Kunststoffschicht gegen derartige Belastungen nur unzureichend widerstandsfähig ist und sich daher schnell abnutzt, wobei sich die Kunststoffschicht nur stellenweise ablöst, was zu ungleichmäßiger Belastung und schnellerem Verschleiß führt.
  • Aus der DE 198 58 483 A1 ist eine hydraulische Verdrängermaschine bekannt, bei der mindestens ein von zwei gegeneinander gleitend bewegbaren Bauteilen an der Oberfläche durch Nitrieren gehärtet ist und aus Sintermaterial besteht. Über die Materialbeschaffenheit des komplementären Bauteils ist nichts zu entnehmen.
  • Aus der DE 102 97 112 T5 ist eine Zylinder-Kolben-Einheit entnehmbar mit einem aus Kohlenstoffgraphit bestehenden Zylinder. Das Material des Kolbens ist nicht definiert.
  • Die DE 28 12 417 C2 hat eine gasnitrierte Zylindertrommel zum Inhalt, die an der Steuerfläche mit einer Bronzeschicht versehen ist.
  • In der JP 2003 343 450 A ist eine Kolben-Zylinder-Einheit beschrieben, wobei der Metallkolben eine Schicht aus DLC aufweist und der Zylinder aus einer Aluminiumlegierung besteht.
  • Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, auf der Gleitseite der Zylindertrommel eine Bronze-Schicht einzuschmelzen.
  • Weiterhin ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer diamantartigen amorphen Kohlenstoffschicht aus der WO 98/54376 A1 bekannt
  • Ferner wird in der Veröffentlichung „Helena Roukainen, Tribological properties of hydrogenated and hydrogen-free diamont-like carbon coatings" VTT Publications, 2001, insbesondere auf den Seiten 3 und 4 bzw. Seiten 26 bis 28 auf das ta-C bzw. CVD-Verfahren eingegangen.
  • Sowohl die Kunststoffschicht als auch die Bronze-Schicht erhöhen den fertigungstechnischen Aufwand und sind deshalb nachteilig.
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Axialkolbenmaschine zu beschreiben, die vereinfacht herstellbar ist, die mit einer Vielzahl von Fördermedien betrieben werden kann und, insbesondere bei hoher Belastung, weniger verschleißanfällig ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil erhöhter Verschleißfestigkeit, insbesondere gegen schlagende Belastungen der aufeinander gleitenden Teile, gegen Kavitation und gegen die zweiachsige Belastung. Außerdem ist die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine einfacher herzustellen und kann außer mit Wasser auch mit ölhaltigen Fördermedien betrieben werden.
  • Die in den Unteransprüchen ausgeführten Maßnahmen betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die jeweils andere, nicht mit der Schicht überzogene Gleitseite aus durch Nitrieren gehärtetem Stahl besteht. Die der Kohlenstoffschicht gegenüberliegende Gleitseite kann dadurch vereinfacht hergestellt werden. Auf den Einsatz von umweltbelastenden Buntmetallen kann verzichtet werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Schicht auf der ersten Gleitseite bzw. auf der Gleitseite der Steuerplatte aufgebracht ist. Da die Steuerplatte einer Axialkolbenmaschine in ihren Ausmaßen kleiner ist als die Zylindertrommel, läßt sich die Schicht auf die Steuerplatte einfacher und kostengünstiger aufbringen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuerplatte und/oder die Zylindertrommel im Bereich ihrer Gleitseiten im wesentlichen aus Metall bestehen und die Schicht unmittelbar auf der metallenen Oberfläche der Gleitseiten aufgebracht ist. Die Schicht haftet damit beständiger an der jeweiligen Gleitseite. Die Funktionsschicht kann entweder direkt oder vorzugsweise durch Vermittlung einer Haftschicht aufgebracht werden.
  • Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Schicht eine diamantartige amorphe Kohlenstoffschicht ist, insbesondere eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht, ta-C. Die ta-C-Schicht hat gegenüber herkömmlichen Kohlenstoffschichten im Einsatz in einer Axialkolbenmaschine hervorragende vorteilhafte Eigenschaften. So wird die Ermüdungsbeständigkeit der reib- und verschleißmindernden Schicht insbesondere gegen adhäsives Abplatzen und kohäsiven Abtrag entscheidend erhöht, insbesondere hinsichtlich der Belastung durch Kavitation und Schlagkräfte, welche insbesondere bei erhöhtem Arbeitsdruck und schnellen, starken Lastwechseln auftreten. Die Verschleißbeständigkeit insbesondere bei erhöhter Belastung und verschmutzten Fördermedien ist verbessert.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Darstellungen an einem Ausführungsbeispiel und Ausführungsformen beispielhaft näher erläutert. Übereinstimmende Bauteile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1 eine schematisch Darstellung einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,
  • 2 den in 1 dargestellten Ausschnitt II in vergrößerter Form,
  • 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuerplatte der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einer Draufsicht auf die Gleitseite der Steuerplatte und
  • 4 eine bevorzugte Ausführungsform einer Zylindertrommel der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in einer Draufsicht auf die Gleitseite der Zylindertrommel.
  • Die in der 1 dargestellte Axialkolbenmaschine ist in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem Verdrängungsvolumen und einer Stromrichtung ausgeführt und umfaßt in bekannter Weise als wesentliche Bauteile ein hohlzylindrisches Gehäuse 1 mit einem stirnseitig offenen Ende (oberes Ende in 1), eine am Gehäuse 1 befestigte, dessen offenes Ende verschließende Anschlußplatte 2, eine Hub- oder Schrägscheibe 3, eine Steuerplatte 4, welche auch Steuerkörper oder Steuerspiegel genannt wird, eine Triebwelle 5 und eine Zylindertrommel 6.
  • Die Schrägscheibe 3 ist als sogenannte Schwenkwiege mit halbzylindrischem Querschnitt ausgebildet und stützt sich mit zwei, mit gegenseitigem Abstand parallel zur Schwenkrichtung verlaufenden Lagerflächen unter hydrostatischer Entlastung an zwei entsprechend geformten Lagerschalen 8 ab, die an der Innenfläche der der Anschlußplatte 2 gegenüberliegenden Gehäuse-Stirnwand 9 befestigt sind. Die hydrostatische Entlastung erfolgt in bekannter Weise über Drucktaschen 10, die in den Lagerschalen 8 ausgebildet sind und über Anschlüsse 11 mit Druckmittel versorgt werden. Eine in einer Ausbuchtung einer zylindrischen Gehäusewandung 12 untergebrachte Stelleinrichtung 13 greift über einen sich in Richtung der Anschlußplatte 2 erstreckenden Arm 14 an der Schrägscheibe 3 an und dient zum Verschwenken derselben um eine zur Schwenkrichtung senkrechte Schwenkachse.
  • Die Steuerplatte 4 ist auf dem Außenring des Lagers 18 zentriert und liegt in Umfangsrichtung positioniert an der dem Gehäuse-Innenraum zugewandten Innenfläche der Anschlußplatte 2 an. Die Steuerplatte 4 ist mit zwei durchgehenden Öffnungen 15 in Form von nierenförmigen Steuerschlitzen versehen, die über einen Druckkanal 16D bzw. Saugkanal 16S in der Anschlußplatte 2 an eine nicht gezeigte Druck- und Saugleitung angeschlossen sind. Der Druckkanal 16D weist einen kleineren Strömungsquerschnitt als der Saugkanal 16S auf. Die dem Gehäuse-Innenraum zugewandte und sphärisch ausgebildete Steuerfläche der Steuerplatte 4 dient als Lagerfläche für die Zylindertrommel 6.
  • Die Triebwelle 5 ragt durch eine Durchgangsbohrung in der Gehäuse-Stirnwand 9 in das Gehäuse 1 hinein und ist mittels eines Lagers 17 in dieser Durchgangsbohrung sowie mittels eines weiteren Lagers 18 in einem engeren Bohrungsabschnitt einer endseitig erweiterten Sackbohrung 19 in der Anschlußplatte 2 drehbar gelagert. Die Triebwelle 5 durchsetzt im Inneren des Gehäuses 1 weiterhin die zentrische Durchgangsbohrung 20 in der Steuerplatte 4 eine zentrische Durchgangsbohrung 21 in der Schrägscheibe 3, sowie eine zentrische Durchgangsbohrung in der Zylindertrommel 6 mit zwei Bohrungsabschnitten.
  • Einer dieser Bohrungsabschnitte ist in einer an der Zylindertrommel 6 angeformten, über deren der Schrägscheibe 3 zugewandte Stirnseite 22 hinausragenden hülsenförmigen Verlängerung 23 ausgebildet, über die die Zylindertrommel 6 mittels einer Keilnut-Verbindung 24 drehfest mit der Triebwelle 5 verbunden ist. Der verbleibende Bohrungsabschnitt ist mit konischem Verlauf ausgebildet. Er verjüngt sich ausgehend von seinem Querschnitt größten Durchmessers nahe dem ersten Bohrungsabschnitt bis zu seinem Querschnitt kleinsten Durchmessers nahe der an der Steuerplatte 4 anliegenden Stirn- oder Lagerfläche der Zylindertrommel 6. Der von der Triebwelle 5 und diesem konischen Bohrungsabschnitt definierte ringförmige Raum ist mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet.
  • Die Zylindertrommel 6 weist allgemein axial verlaufende, abgestufte Zylinderbohrungen 26 auf, die gleichmäßig auf einem zur Triebwellenachse koaxialen Teilkreis angeordnet sind. Die Zylinderbohrungen 26 münden an der Zylindertrommel-Stirnseite 22 direkt und an der der Steuerplatte 4 zugewandten Zylindertrommel-Lagerfläche über Mündungskanäle 27 auf dem gleichen Teilkreis wie die Steuerschlitze aus. In die an der Zylindertrommel-Stirnseite 22 direkt ausmündenden Zylinderbohrungsabschnitte größeren Durchmessers ist je eine Laufbuchse 28 eingesetzt. Die Zylinderbohrungen 26 einschließlich der Laufbuchsen 28 sind hier als Zylinder bezeichnet. Innerhalb dieser Zylinder verschiebbar angeordnete Kolben 29 sind an ihren der Schrägscheibe 3 zugewandten Enden mit Kugelköpfen 30 versehen, die in Gleitschuhen 31 gelagert und über diese an einer an der Schrägscheibe 3 befestigten ringförmigen Gleitscheibe 32 hydrostatisch gelagert sind.
  • Jeder Gleitschuh 31 ist an seiner der Gleitscheibe 32 zugewandten Gleitfläche mit je einer nicht gezeigten Drucktasche versehen, die über eine Durchgangsbohrung 33 im Gleitschuh 31 an einen abgestuften axialen Durchgangskanal 34 im Kolben 29 angeschlossen und auf diese Weise mit dem vom Kolben 29 in der Zylinderbohrung 26 abgegrenzten Arbeitsraum des Zylinders verbunden ist. In jedem axialen Durchgangskanal 34 ist im Bereich des zugeordneten Kugelkopfes 30 eine Drossel ausgebildet. Ein mittels der Keilnut-Verbindung 24 axial verschiebbar auf der Triebwelle 5 angeordneter und durch eine Feder 35 in Richtung der Schrägscheibe 3 beaufschlagter Niederhalter 36 hält die Gleitschuhe 31 in Anlage an die Gleitscheibe 32.
  • Die Funktion der vorstehend beschriebenen Axialkolbenmaschine 1 ist allgemein bekannt und die nachstehende Beschreibung für den Einsatz als Pumpe ist deshalb auf das Wesentliche beschränkt.
  • Die Axialkolbenmaschine 1 ist für den Betrieb mit Öl als Fördermedium vorgesehen. Über die Triebwelle 5 wird die Zylindertrommel 6 mitsamt den Kolben 29 in Drehung versetzt. Wenn durch Betätigung der Stelleinrichtung 13 die Schrägscheibe 3 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 6 verschwenkt ist, vollführen sämtliche Kolben 29 Hubbewegungen. Bei Drehung der Zylindertrommel 6 um 360° durchläuft jeder Kolben 29 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über die Mündungskanäle 27, die Steuerschlitze 15 und den Druck- und Saugkanal 16D, 16S erfolgen. Dabei läuft während des Kompressionshubs jedes Kolbens 29 Drucköl von dem betreffenden Zylinder über den axialen Durchgangskanal 34 und die Durchgangsbohrung 33 im zugeordneten Gleitschuh 31 in dessen Drucktasche und baut ein Druckfeld zwischen der Gleitscheibe 32 und dem jeweiligen Gleitschuh 31 auf, das als hydrostatisches Lager für Letzteren dient. Ferner wird Drucköl über die Anschlüsse 11 den Drucktaschen 10 in den Lagerschalen 8 zur hydrostatischen Abstützung der Schrägscheibe 3 zugeführt.
  • Auf ihren jeweils zugewandten Seiten sind auf der Steuerplatte 4 und der Zylindertrommel 6 in 2 näher dargestellte Gleitflächen 44, 45 ausgebildet. Die Steuerplatte 4 weist die erste Gleitseite 44 und die Zylindertrommel 6 die zweite Gleitseite 45 auf. Zwischen den beiden Gleitseiten 44, 45 ist auf der ersten Gleitseite 44 eine in 2 näher dargestellte reib- und verschleißmindernde Schicht 46 aufgebracht.
  • 2 zeigt den in 1 dargestellten Ausschnitt II in vergrößerter Form, wobei der Bereich um die Schicht 46, die Steuerplatte 4 und die Zylindertrommel 6, sowie um die erste Gleitseite 44, die zweite Gleitseite 45 und die Öffnung 15 dadurch vergrößert dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Schicht 46 auf der ersten Gleitseite 44, also auf der Steuerplatte 4 angeordnet. Die Schicht 46 besteht vorzugsweise aus einem tetraedrischen wasserstofffreien amorphen diamantartigen Kohlenstoff, welcher mit der Abkürzung ta-C aus der Gruppe der DLC-Schichten (Diamond Like Carbon-Schichten) bekannt ist.
  • Die reibungsmindernde und vor Verschleiß schützende Schicht 46 ist beispielsweise durch ein PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) oder das spezialisierte arc-PVD-Verfahren (Bogenentladungsverfahren) oder ein CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposistion), vorzugsweise jedoch durch ein PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) auf die erste Gleitseite 44 gleichmäßig aufgebracht. Außerdem ist die Schicht 46 als sog. Dünnschicht beispielsweise mit einer Dicke bis etwa 15 Mikrometern ausgebildet, wobei der Bereich 1 bis 3 Mikrometer angestrebt wird. Gewöhnlich wird eine metallische Haftschicht, insbesondere aus Cr, Ti, Zr eingesetzt.
  • Die der Schicht 46 gegenüberliegende zweite Gleitseite 45 der ebenfalls vollständig aus Stahl bestehenden Zylindertrommel 6 ist vorzugsweise durch Nitrieren gehärtet.
  • Im Betrieb der erfindungsgemäßen beispielhaft ausgeführten Axialkolbenmaschine 1 bildet sich durch die Rotationsbewegung zwischen der Schicht 46 und der zweiten Gleitseite 45 ein hydrodynamischer Gleitfilm aus, welcher durch das Fördermedium gebildet wird. Im Startbetrieb jedoch reibt die Schicht 46 auf der zweiten Gleitschicht 45. Durch die in der Axialkolbenmaschine 1 auftretenden hydraulischen Druckschwankungen, insbesondere wenn die Axialkolbenmaschine sehr beansprucht wird, kann die zweite Gleitseite 45 kurzzeitig schlagartig wieder auf die Schicht 46 zurückfallen. Dadurch entsteht eine schlagende Belastung die in ihrer Stärke insbesondere von den Arbeitsdrücken und dem Druckschwankungsverlauf abhängt.
  • 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Steuerplatte 4 der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 in einer Draufsicht auf die Gleitseite 44 der Steuerplatte 4. Gut sichtbar sind in dieser Ansicht die in etwa nierenförmigen Öffnungen 15, welche zur Steuerung der Befüllung und Entleerung der Zylinderbohrungen 26 dienen. Im Ausführungsbeispiel weisen beide Öffnungen 15 jeweils an ihren in Drehrichtung angeordneten Enden ein Kerbe 47 auf. Die Kerben 47 bewirken eine weich verlaufende Umsteuerung und sind als solches aus dem Stand der Technik bekannt. Die Gleitseite 44 der Steuerplatte 4 ist vollständig mit der Schicht 46 überzogen, wobei im Sinne der Erfindung dabei die Oberflächen der Kerben 47 und die Bereiche der Innenseiten der Öffnungen 15 mit einbezogen sind. In anderen Ausführungsbeispielen können, um die Umsteuerung weicher verlaufen zu lassen, nicht dargestellte Kerben am entgegen der Drehrichtung angeordneten Ende angeordnet sein oder Bohrungen in der Steuerplatte 4 eingebracht sein, wobei erfindungsgemäß dabei auch die Oberfläche dieser nicht dargestellten Kerben und die Innenflächen der nicht dargestellten Bohrungen mit der Schicht 46 überzogen wären.
  • Materialbelastungen durch Kavitation treten bei Axialkolbenmaschinen in einem Bereich 48, welcher durch einen kreisrunden Ring beispielhaft umrissen ist, bevorzugt auf.
  • 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Zylindertrommel 6 der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 in einer Draufsicht auf die Gleitseite 45 der Zylindertrommel 6, welche als zweite Gleitseite 45 bezeichnet ist. Die in dieser Figur mit kreisrunden Ringen umrissenen Bereiche 48, welche die durch Kavitation gefährdeten Bereiche kennzeichnen, liegen in etwa zwischen den als Langloch ausgebildeten Mündungskanälen 27, wobei die Enden der Mündungskanäle 27 mit umrissen sind. Erfindungsgemäß kann anstatt der ersten Gleitseite 44 die zweite Gleitseite 45 mit der Schicht 46 überzogen sein, wobei dann vorzugsweise auch die Innenflächen der Mündungskanäle 27 mit der Schicht 46 überzogen sind.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen beschränkt. Die Merkmale des Ausführungsbeispiels und der Ausführungsformen können in beliebiger Weise mit einander kombiniert werden.

Claims (8)

  1. Axialkolbenmaschine (1) mit einer Steuerplatte (4) und einer relativ zur Steuerplatte (4) rotierenden Zylindertrommel (6), welche aufeinander reiben bzw. gleiten, wobei die Steuerplatte (4) mit einer ersten Gleitseite (44) auf einer zweiten Gleitseite (45) der Zylindertrommel (6) reibt bzw. gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleitseite (44, 45) eine kohlenstoffhaltige Schicht (46) aufweist und die jeweils andere Gleitseite (44, 45) aus Metall besteht.
  2. Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Metall bestehende Gleitseite (44, 45) aus gehärtetem Metall, insbesondere aus durch Nitrieren gehärtetem Stahl besteht.
  3. Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (46) auf der ersten Gleitseite (44) aufgebracht ist.
  4. Axialkolbenmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerplatte (4) und/oder die Zylindertrommel (6) im Bereich der Gleitseiten (44, 45) im wesentlichen aus Metall besteht und die Schicht (46) unmittelbar auf der metallischen Oberfläche der jeweiligen Gleitseite (44, 45) aufgebracht ist.
  5. Axialkolbenmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (46) eine diamantartige amorphe Kohlenstoffschicht, DLC, ist.
  6. Axialkolbenmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (46) eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht, ta-C, ist.
  7. Axialkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (46) eine Diamantschicht ist, insbesondere eine nanokristalline- mikrokristalline- oder dotierte CVD-Diamantschicht ist.
  8. Axialkolbenmaschine (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gleitseiten (44, 45) in die jeweils andere Gleitseite (44, 45) sphärisch hinein ragt.
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