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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Steuerplatte.
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In Axialkolbenmaschinen ist mit einer Triebwelle drehfest verbunden eine Zylindertrommel angeordnet. Diese dreht sich im Falle einer Pumpe getrieben durch die Triebwelle in einem Gehäuse. Zur Rotationsachse der Zylindertrommel geneigt angeordnet ist eine Schrägscheibe, auf der sich Kolben, die in Zylinderbohrungen längsverschieblich angeordnet sind, gleitend abstützen. Dabei kommt es bei einer Drehung der Zylindertrommel, in der die Zylinderbohrungen angeordnet sind, zu einer Hubbewegung der Kolben. An der von der Schrägscheibe abgewandten Seite sind die Zylinderbohrungen zur Stirnseite der Zylindertrommel offen und werden über eine Steuerplatte zeitweilig abwechselnd in Kontakt mit einem Hochdruck- und Niederdruckkanal gebracht.
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Eine dieser Art aufgebaute Axialkolbenmaschine ist aus der
DE 10 2004 033 321 B4 bekannt. Um die Leckageflüsse niedrig zu halten, muss die Stirnseite der Zylindertrommel, in der die Zylinderbohrungen ausmünden, dichtend mit der korrespondierenden Fläche der Steuerplatte zusammenwirken. Hierzu ist eine relativ hohe Flächenpressung erforderlich. Während eines Einlaufvorgangs passen sich die beiden Flächen unter Last aneinander an. Um diesen Vorgang zu ermöglichen und insbesondere um lokale Flächenpressungsspitzen abzubauen ist auf Seiten der Steuerplatte eine Beschichtung vorgesehen. Diese Beschichtung besteht aus aufgeschmolzener Bronze und bildet damit eine Materialpaarung "weich/ hart" mit der Zylindertrommel aus. Der Einlaufvorgang ist zum einen erforderlich, da die beiden miteinander in Kontakt stehenden Flächen der Steuerplatte und der Zylindertrommel nicht kongruent sind und andererseits da aufgrund der Schrägstellung der Schrägscheibe eine Querkraft auf die Zylindertrommel entsteht, die zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Flächenpressung führt.
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Bronze ist ein bleihaltiges Material. Es gilt daher Lösungen zu finden, bei denen auf die Bronze und damit das enthaltene Blei möglichst verzichtet werden kann. Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerplatte zu schaffen, die auch ohne den Einsatz von bleihaltiger Bronze in der Lage ist, Flächenpressungsspitzen zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Steuerplatte der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine weist zumindest eine erste Steueröffnung und eine zweite Steueröffnung auf. Benachbart zu den beiden Steueröffnungen ist ein innerer Dichtsteg und ein äußerer Dichtsteg ausgebildet. Erfindungsgemäß ist ein Teilbereich des äußeren Dichtstegs so ausgebildet, dass er im Vergleich zu einem weiteren Teilbereich des äußeren Dichtstegs eine erhöhte Elastizität aufweist.
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Durch eine solche Bereichsweise ausgebildete Elastizität ist es möglich, eine elastische Verformung dieses Teilbereichs zu erzielen. Durch die elastische Verformung wird es möglich, auch ohne die plastisch verformbare Bronze Flächenpressungsspitzen abzubauen. Infolgedessen ist eine Materialpaarung "weich/hart" nicht mehr erforderlich. Ein klassischer Einlaufvorgang mit einer plastischen Materialumformung oder einem Materialabtrag ist daher nicht erforderlich.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuerplatte ausgeführt.
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Der zumindest eine Teilbereich mit erhöhter Elastizität wird durch eine sich in radialer Richtung unter einer Dichtfläche des Dichtstegs erstreckende Ausnehmung realisiert.
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Fertigungstechnisch ist eine solche radiale Ausnehmung einfach einzubringen. Bei den in der Regel kreisrunden Geometrien der Steuerplatten ist die Ausnehmung daher in Form einer Nut an einem Außenumfangsbereich der Steuerplatte ausgebildet. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Ausnehmung in Form einer Tasche radial von außen auf eine Mittelachse der Steuerplatte zu erstreckt. Die Tasche wird dabei als umlaufende Nut ausgebildet, so dass bei der ohnehin spanenden Bearbeitung, die zum Erzeugen der Dichtflächen nötig ist, lediglich ein einfacher weiterer Arbeitsschritt erforderlich ist.
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Es ist ein zweiter Teilbereich mit erhöhter Elastizität vorgesehen. Dieser erstreckt sich als Steueröffnungstasche radial nach außen in den Bereich des äußeren Dichtstegs. Durch eine solche zusätzliche Steueröffnungstasche können Flächenpressungsspitzen, die aufgrund des in einer Steueröffnung herrschenden Hochdrucks an der inneren Dichtkante des äußeren Dichtungsstegs entstehen, durch elastische Verformung des Dichtstegs in diesem Bereich abgebaut werden. Insbesondere bei einer Ausbildung mit zwei hinsichtlich ihrer Elastizität erhöhten Teilbereichen, nämlich an der äußeren Dichtkante des äußeren Dichtstegs und zusätzlich an der die Steueröffnung begrenzenden inneren Dichtkante des äußeren Dichtstegs, lässt sich somit eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer der Steuerplatte erreichen. Insbesondere wird durch die Reduzierung der Flächenpressungsspitzen der Einsatz von einer harten Oberflächenbeschichtung ermöglicht. So ist es besonders bevorzugt, an dem inneren und äußeren Dichtsteg eine kohlenstoffhaltige Beschichtung vorzusehen. Diese wird vorzugsweise an der gesamten, mit der Stirnseite der Zylindertrommel in Kontakt stehenden Fläche der Steuerplatte aufgebracht. Es ergibt sich damit eine Materialpaarung hart/sehr hart.
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Die Steueröffnungstasche ist in ihrem Querschnitt vorzugsweise im Wesentlichen dreieckig. Dabei ist der kleinste Innenwinkel des Dreiecks auf der von der Dichtfläche der Steuerplatte abgewandten Seite ausgebildet.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass sich an dem radial äußeren Dichtsteg ein radial nach außen erstreckender Überhang anschließt. Durch einen solchen Überhang wird eine Interferenz zwischen Zugspannungen, die sich im Bereich der Ausnehmung ergeben und Druckspannungen auf der Dichtfläche des Dichtstegs entstehen, miteinander interferieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine mit einer Steuerplatte wird anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 einen Teilschnitt durch eine Axialkolbenmaschine mit der erfindungsgemäßen Steuerplatte;
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der 1 zur Verdeutlichung der Geometrie der erfindungsgemäßen Steuerplatte;
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3 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Steuerplatte;
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4 eine Ansicht der der Zylindertrommel zugewandten Seite der erfindungsgemäßen Steuerplatte;
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5 eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts im Bereich einer Steueröffnung; und
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6 eine weiter vergrößerte Darstellung zur Verdeutlichung der bevorzugten Geometrie im Bereich des Teilbereichs mit erhöhter Elastizität.
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Die in der 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 ist vorzugsweise als aus einer Neutrallage heraus in zwei Richtungen verschwenkbare Axialkolbenpumpe ausgeführt. Sie umfasst eine Triebwelle 2, über die eine drehfest mit der Triebwelle 2 verbundene Zylindertrommel 3 innerhalb des Gehäuses der Axialkolbenmaschine 1 gedreht werden kann. In der Zylindertrommel 3 sind über einen Umfang verteilt mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Zylinderbohrungen 4 ausgebildet. In den Zylinderbohrungen 4 sind jeweils Kolben 5 längsverschieblich angeordnet. Die Kolben 5 stützen sich an einer nicht dargestellten Schrägscheibe ab und führen somit bei einer Drehung der Triebwelle 2 und damit der Zylindertrommel 3 eine Hubbewegung in dem jeweiligen Zylinderraum aus. Auf der von der Schrägscheibe abgewandten Seite sind die Zylinderbohrungen 4 zur Stirnseite der Zylindertrommel 3 hin über jeweils eine Öffnung 8 offen. Die Öffnungen 8 stehen mit einem ersten oder einem zweiten Arbeitskanal 6, 7 bei einer Drehung der Zylindertrommel 3 wechselweise in Kontakt.
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Die Arbeitskanäle 6 und 7 sind in einem ein Gehäuse der Axialkolbenmaschine 1 verschließenden Steuerdeckel 10 ausgebildet. Zwischen dem Steuerdeckel 10 und der Zylindertrommel 3 ist eine Steuerplatte 9 ausgebildet, die ebenfalls über Steueröffnungen verfügt, die sich in nachfolgend noch zu zeigender Weise entlang der durch die Öffnungen 8 beschriebenen Kreisbahn erstrecken. Zur Verdeutlichung der Geometrie ist der Bereich II in der 2 vergrößert dargestellt.
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Die Steuerplatte 9 hat eine ebene Seite, mit der sie an dem Steuerdeckel 10 dichtend anliegt. Die davon abgewandte Seite steht mit einer Stirnfläche 12 der Zylindertrommel 3 gleitend dichtend in Kontakt. Die Stirnfläche 12 der Zylindertrommel 3 und die Geometrie der dieser Stirnfläche 12 zugewandten Seite der Steuerplatte 9 sind hierzu korrespondierend zueinander ausgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Steuerplatte 9 eine kegelstumpfförmige Grundgeometrie auf, durch welche die Zylindertrommel 3 in der Axialkolbenmaschine 1 zentriert wird. Eine solche Zentrierung kann auch durch eine sphärische Ausbildung der der Zylindertrommel 3 zugewandten Seite der Steuerplatte 9 erzielt werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die der Zylindertrommel 3 zugewandte Seite eben ausgeführt ist.
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Um die Zylinderbohrung 4 über die Öffnung 8 mit einem Arbeitskanal 7 verbinden zu können, ist auch in der Steuerplatte 9 eine Steueröffnung 16 ausgebildet. Auf der der Zylindertrommel 3 zugewandten Seite ergibt sich damit ein innerer Dichtsteg 14, der ausgehend von der Steueröffnung 16 auf der zur Triebwelle 2 hin orientierten Seite ausgebildet ist und in einem radial äußeren Bereich ein äußerer Dichtsteg 15 . Die Stirnfläche 12 der Zylindertrommel 3 liegt sowohl dichtend an der Dichtfläche des inneren Dichtstegs 14 als auch an der Dichtfläche des äußeren Dichtstegs 15 an.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Beschichtung 13 vorgesehen, welche vorzugsweise aus Kohlenstoff besteht oder zumindest kohlenstoffhaltig ist. Durch die Kohlenstoffschicht und die aus Stahl gefertigte Zylindertrommel 3 entsteht eine Materialpaarung "hart/sehr hart", welche in einem Dauerbetrieb nur geringem Verschleiß unterworfen ist.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Steuerplatte 9. Bevor im Detail auf die Geometrien zur Ausbildung des zumindest einen elastischen Teilbereichs eingegangen wird, wird anhand der 3 und 4 der grundsätzliche geometrische Aufbau der Steuerplatte 9 beschrieben. In der Steuerplatte 9 sind, wie es bereits erläutert wurde, Steueröffnungen 16, 16' und 18, 18' ausgebildet. Die beiden Steueröffnungen 16 und 16' bilden gemeinsam eine Steuerniere 19 aus. Der zwischen der Steueröffnungen 16 und 16' verbleibende Steg dient der Erhöhung der Festigkeit in diesem Bereich, da es bei Axialkolbenpumpen zu erheblichen Drücken auf der Förderseite kommen kann. In vergleichbarer Weise ist eine zweite Steuerniere 20 erzeugt, welche die beiden durchgehenden Steueröffnungen 18 und 18' umfasst. Zwischen den beiden Steueröffnungen 18, 18' ist ein lediglich vertiefter Bereich vorgesehen, der die beiden Steueröffnungen 18, 18' miteinander verbindet. Zur Minderung von Pulsationen sind sog. Steuerkerben 17, 21 und 22, 23 an den Enden der Steuernieren 19, 20 ausgebildet. Ausgehend von der zweiten Steuerniere 20 zum Mittelpunkt der Steuerplatte 9 hin ist ein innerer Dichtsteg 14 ausgebildet. In entsprechender Weise ist auch bei der ersten Steuerniere 19 ein Dichtsteg 14 ausgebildet, wobei der Übersichtlichkeit wegen auf eine erneute Bezeichnung verzichtet wird.
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In vergleichbarer Weise ist radial nach außen gehend von der zweiten Steuerniere 20 (bzw. 19) ein äußerer Dichtsteg 15 ausgebildet. In der 5 ist ein Schnitt entlang der Linie V-V der 4 dargestellt. Es wird in der 5 davon ausgegangen, dass der Schnitt durch die Steueröffnung 18' verläuft. Es ist noch einmal zu erkennen, dass in Richtung der Mittelachse der Axialkolbenmaschine der innere Dichtsteg 14 und in radialer Richtung nach außen der äußere Dichtsteg 15 ausgebildet ist. Außerhalb des äußeren Dichtstegs 15 schließt sich noch ein radial erweiterter Bereich 30 an, der jedoch in Bezug auf die Dichtfläche des äußeren Dichtstegs 15 zurückversetzt ist. Dieser radial erweiterte Bereich 30 weist eine geringere Dicke auf, als die Steuerplatte 9 im Bereich des inneren und des äußeren Dichtstegs 14, 15 . Im Übergangsbereich zwischen dem radial erweiterten Bereich 30 und dem äußeren Dichtsteg 15 ist eine Ausnehmung 26 in Form einer von außen in Richtung auf die Mittelachse der Steuerplatte 9 zu gerichteten Tasche ausgebildet. Die Tasche kann vorzugsweise in Form einer umlaufenden Nut ausgebildet sein. Die Nut ist dabei hinsichtlich ihrer Tiefe so bemessen, dass sie um eine Tiefe d weiter in Richtung der Mittelachse der Steuerplatte 9 eindringt, als der Abstand der äußeren Dichtkante des äußeren Dichtstegs 15 von der Mittelachse ist. Dadurch entsteht ein erster Teilbereich mit höherer Elastizität durch die die Flächenpressungsspitzen abgefangen werden können.
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In der 5 ist ferner noch ein zweiter Teilbereich mit erhöhter Elastizität gezeigt. Dieser zweite Teilbereich ist in Form einer Nut oder Tasche 27 ausgebildet. Diese Tasche wird als Ausnehmung ausgehend von der Steueröffnung 18' so in radialer Richtung nach außen eingebracht, dass ebenfalls die die Druckbelastung der Zylindertrommel 3 tragende Materialstärke im Bereich des äußeren Dichtstegs 15 reduziert wird und somit eine erhöhte Elastizität erreicht wird. Im Querschnitt ist die Tasche 27 vorzugsweise im Wesentlichen dreieckig. Dabei ist der kleinste Innenwinkel des Dreiecks, auf der zu der Fläche 25 hin orientierten Seite angeordnet. Die größte Tiefe der Tasche 27, die am Punkt P angeordnet ist, ist dabei so gewählt, dass zwischen der Tasche 26 und der Tasche 27 ausreichend Material verbleibt, so dass die Grundfestigkeit der Steuerplatte 9 im Bereich des äußeren. Dichtstegs 15 gewährleistet ist.
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In der 6 ist noch einmal eine vergrößerte Darstellung des Bereichs des Hinterstichs in Form der radial in Richtung der Mittelachse ausgebildeten Tasche 26 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Tiefe des Hinterstichs so gewählt ist, dass ein Bereich mit der Dicke d des äußeren Dichtstegs 14 hinsichtlich seiner Elastizität erhöht ist. Unter Erhöhung der Elastizität wird dabei immer der Vergleich mit einer ohne die Tasche 26 ausgebildeten Steuerplatte 9 verstanden. Der nicht ausgehöhlte Bereich bildet damit einen weiteren Teilbereich aus.
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Ferner ist zu erkennen, dass in radialer Richtung nach außen an den äußeren Dichtsteg 15 anschließend ein Überhang 28 ausgebildet ist. Dieser Überhang 28 trägt somit nicht zur unmittelbaren Einstellung der Elastizität des äußeren Dichtstegs 15 in dem ersten oder zweiten Teilbereich, der sich unmittelbar an die äußere Dichtkante des äußeren Dichtstegs 15 anschließt, bei. Der Überhang 28 wird dabei jedoch ebenfalls durch das Einbringen der Tasche 26 realisiert. Die Tasche 26 wird somit zwischen einer der Zylindertrommel 3 zugewandten Fläche der Steuerplatte 29 und dem äußeren Dichtsteg 15 eingebracht.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Entscheidend ist, dass in dem Bereich, in dem üblicherweise Flächenpressungsspitzen auftreten, eine Erhöhung der Elastizität in einem Teilbereich gegenüber einer nicht bearbeiteten Steuerplatte 9 eingestellt wird. Während die äußere Tasche 26 dazu vorgesehen ist, im Bereich der äußeren Dichtkante des äußeren Dichtstegs 15 die Flächenpressungsspitzen abzubauen, ist die innere Tasche 27 dazu vorgesehen, den aufgrund des Hochdrucks auftretenden Druckspitzen im Bereich der Dichtkante am radial inneren Ende des äußeren Dichtstegs entgegenzuwirken. Dadurch ergibt sich durch die homogene Anlage des Zylinders auf der Steuerplatte ein reduzierter Verschleiß. Zudem wird auch bei Einwirkung von Stoß- oder Schlagkräften eine Steuerplattenbeschichtung vor Beschädigung geschützt.
