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Die
Erfindung betrifft eine als Axialkolbenmaschine ausgeführte hydrostatische
Maschine.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
DE 28 12 417 C2 hat
eine gasnitrierte Zylindertrommel zum Inhalt, die an der Steuerfläche mit einer
Bronzeschicht versehen ist.
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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.
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Aus
dem Stand der Technik ist auch bekannt, auf der Gleitseite der Zylindertrommel
eine Bronze-Schicht einzuschmelzen.
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Weiterhin
ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer diamantartigen
amorphen Kohlenstoffschicht aus der WO 98/54376 A1 bekannt
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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.
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Sowohl
die Kunststoffschicht als auch die Bronze-Schicht erhöhen den
fertigungstechnischen Aufwand und sind deshalb nachteilig.
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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.
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Die
Aufgabe wird durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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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.
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Die
in den Unteransprüchen
ausgeführten Maßnahmen
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
schematisch Darstellung einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine,
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2 den
in 1 dargestellten Ausschnitt II in vergrößerter Form,
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3 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Steuerplatte der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in
einer Draufsicht auf die Gleitseite der Steuerplatte und
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4 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Zylindertrommel der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in
einer Draufsicht auf die Gleitseite der Zylindertrommel.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
der Schicht 46 gegenüberliegende
zweite Gleitseite 45 der ebenfalls vollständig aus
Stahl bestehenden Zylindertrommel 6 ist vorzugsweise durch
Nitrieren gehärtet.
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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.
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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.
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Materialbelastungen
durch Kavitation treten bei Axialkolbenmaschinen in einem Bereich 48,
welcher durch einen kreisrunden Ring beispielhaft umrissen ist,
bevorzugt auf.
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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.
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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.