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Die
Erfindung betrifft eine Beschichtung von Reibflächen einer
Axialkolbenmaschine und eine Steuerplatte einer Axialkolbenmaschine.
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In
einer Axialkolbenmaschine verbindet eine Steuerscheibe abwechselnd
Zylinder einer sich drehenden Zylindertrommel mit einer Hydraulikflüssigkeit
führenden Hochdruck- und Niederdruckarbeitsleitung. Die
Zylindertrommel gleitet auf der Steuerscheibe. Die Zylindertrommel
muss stark gegen die Steuerscheibe gedrückt werden, um
bei den hohen auftretenden Arbeitsdrücken unnötige
Hydraulikflüssigkeitsverluste zu vermeiden. Aufgrund fertigungsbedingter
Toleranzen sind die reibenden Gleitflächen nicht vollständig
kongruent. Dies führt zu einer ungleichmäßigen
Verteilung der Flächenpressung auf den Gleitflächen
der Steuerplatte und der Zylindertrommel. So entstehen lokale Überhöhungen
der Flächenpressung der in Kontakt stehenden Flächen.
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Deshalb
ist es bekannt, auf der Gleitfläche der Zylindertrommel,
die im tribologischen Kontakt mit der Steuerplatte aus Stahl steht,
das weiche Material Bronze aufzuschmelzen. Die weiche Bronze erlaubt
ein Anpassen der Gleitflächen unter Last im Betrieb. Durch
diese sogenannten Einlaufvorgänge werden lokale Flächenpressungsspitzen
durch plastische Verformung der Bronze oder durch abrasiven Verschleiß der
Bronze abgebaut.
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Nachteilig
an dem beschriebenen Verfahren ist es, dass die Bronze einen relativ
hohen Anteil an dem umweit- und gesundheitsschädlichen
Material Blei enthält. Deshalb soll die Kombination aus
weicher und harter Beschichtung auf den Gleitflächen der
Steuerplatte und der Zylindertrommel durch eine Kombination aus
harter und sehr harter Beschichtung ersetzt werden. Dadurch entfallen
Einlaufvorgänge und das gesundheits- und umweltschädliche Blei
kann vermieden werden.
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Beispielsweise
wird in der
DE
10 2004 033 321 B4 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 Metallschicht und auf der anderen Seite
eine kohlenstoffhaltige Schicht angeordnet. Die kohlenstoffhaltige
Schicht ist dabei mittels einer Haftvermittlerschicht auf dem Material
der Steuerplatte aufgebracht.
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Aufgrund
der hohen Härte der Werkstoffe der beiden Kontaktflächen
ist ein Abbau lokaler Überhöhungen der Flächenpressung
durch ein Einlaufen der hydrostatischen Maschine nicht mehr möglich.
Nachteilig an der beschriebenen Axialkolbenmaschine ist es, dass
die Kontaktflächen mit einer wesentlich höheren
Präzision gefertigt werden müssen, damit die lokalen Überhöhungen
der Flächenpressung nicht zu einer Schädigung
der Kohlenstoffschicht führt. Dies führt zu erhöhten
Produktionskosten.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kontaktfläche einer
Steuerplatte oder einer Zylindertrommel möglichst einfach
und kostengünstig zu produzieren und gleichzeitig im Betrieb
auftretende Schäden an der kohlenstoffhaltigen Schicht
zu verringern oder ganz zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Axialkolbenmaschine
gemäß Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße
Axialkolbenmaschine weist eine Steuerplatte und eine relativ zur
Steuerplatte drehbare Zylindertrommel auf. Die Zylindertrommel gleitet
und reibt mit einer ersten Gleitfläche auf einer zweiten Gleitfläche
der Steuerplatte. Eine der Gleitflächen weist eine Haftvermittlerschicht,
eine Stützschicht und eine äußere Schicht
auf.
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Die
Aufgabe wird insbesondere durch eine erfindungsgemäße
Steuerplatte einer Axialkolbenmaschine gelöst. Die Steuerplatte
weist eine Gleitfläche mit einer Haftvermittlerschicht,
einer Stützschicht und einer äußeren
Schicht auf.
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Durch
das Anbringen einer zusätzlichen Stützschicht
zwischen der Haftvermittlerschicht und der äußeren
Schicht, lässt sich das Lasttragevermögen der äußeren
Schicht anheben. Dadurch können die Kontaktflächen
der Steuerplatte und der Zylindertrommel mit den bisher üblichen
Toleranzen produziert werden. Zusätzlich ist durch das
erhöhte Lasttragevermögen auch ein Betrieb in
Druckbereichen von 500 bar ohne eine Schädigung der äußeren Schicht
möglich.
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Die
Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung.
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Die äußere
Schicht ist vorzugsweise als kohlenstoffhaltige Schicht ausgebildet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass die äußere Schicht härter
als die Stützschicht und die Stützschicht härter
als die Haftvermittlerschicht ist. Dadurch wird der Härtegradient
von der äußeren Schicht zum Substrat der Steuerplatte
oder der Zylindertrommel optimiert und eine besonders stabile äußere,
insbesondere kohlenstoffhaltige Schicht erzeugt.
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Ein
weiterer Vorteil entsteht durch Abstimmung der Dicken der Stütz-
zu der äußeren, insbesondere kohlenstoffhaltigen
Schicht. Hat die Dicke der Stützschicht zu der Dicke der äußeren
Schicht ein Verhältnis von 1 zu 2,5, ergeben sich besonders hohe
Lasttragevermögen der äußeren Schicht.
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Eine
vorteilhafte Stützschicht besteht aus dem nitridischen
Material der Haftvermittlerschicht.
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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. Dabei wird jeweils eine kohlenstoffhaltige Schicht als äußere
Schicht angenommen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematisch Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine und einer
erfindungsgemäßen Steuerplatte; und
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2 den
in 1 dargestellten Ausschnitt II in vergrößerter
Form.
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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. Zur Verdeutlichung 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 der Zylindertrommel 3 gleitend
dichtend in Kontakt. Die Stirnfläche der Zylindertrommel 3 und
die Geometrie der dieser Stirnfläche 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.
Die Stirnfläche der Zylindertrommel 3 liegt dichtend
an Steuerplatte 9 an.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Beschichtung 13 vorgesehen,
welche mehrere Lagen aufweist. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete
Beschichtung 13 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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Auf
ihren jeweils zugewandten Seiten sind auf der Steuerplatte 9 und
der Zylindertrommel 3 in 2 näher
dargestellte Gleitflächen 11, 12 ausgebildet.
Die Zylindertrommel 3 weist die erste Gleitfläche 11 und
die Steuerplatte 9 die zweite Gleitfläche 12 auf.
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Im
Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 13 als
zweite Gleitfläche 12, also auf der erfindungsgemäßen
Steuerplatte 9 angeordnet. Die Beschichtung 13 weist
eine in Kontakt mit der Zylindertrommel 3 zu bringende äußere
Schicht 17 auf. Diese äußere Schicht
besteht vorzugsweise aus einem amorphen diamantartigen Kohlenstoff.
Soche Schichten sind als DLC-Schichten (Diamond Like Carbon-Schichten)
bekannt ist und umfassen vorzugsweise folgende Ausführungen:
Tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten ta-C;
Metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten a-C:Me;
Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H; Tetraedrische
wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten ta-C:H; Metallhaltige wasserstoffhaltige
amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:Me; Modifizierte wasserstoffhaltige
amorphe Kohlenstoffschichten a-C:H:X.
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Vor
dem Auftragen der kohlenstoffhaltigen äußeren
Schicht 17 wird zuerst eine metallische Haftvermittlungsschicht 19,
insbesondere aus Cr, Ti, Zr, auf die Steuerplatte 9 aufgetragen.
Die Steuerplatte 9 besteht in der Regel aus gehärtetem
Stahl. Erfindungsgemäß wird über der
Haftvermittlungsschicht 19 eine Stützschicht 18 aufgetragen,
die z. B. aus dem nitrierten Material der Haftvermittlungsschicht 19 besteht. Über
dieser Stützschicht 18 kann nun die kohlenstoffhaltige
reib- und verschleißmindernde äußere
Schicht 17 aufgetragen werden. Durch den durch die zusätzliche
Stützschicht 18 geringeren Unterschied der Härten
benachbarter Schichten wird ein höheres Lasttragevermögen
der reib- und verschleißmindernden äußeren
Schicht 17 erzielt.
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Besonders
vorteilhafte Härtegradienten mit besonders hohen Lasttragevermögen
der reib- und verschleißmindernden äußeren
Schicht 17 werden in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuerplatte 9 oder
der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 durch
eine Haftvermittlungsschicht 19, die als wesentlichen Bestandteil Cr
(Chrom) enthält, und eine Stützschicht 18,
die als wesentlichen Bestandteil CrN (Chromnitrid) enthält, erreicht.
Ferner ergab sich ein besonders vorteilhaftes Verhältnis
der Stützschicht 18 zu der reib- und verschleißmindernden äußeren
Schicht 17 von 1 zu 2,5, um einen optimalen Härtegradienten
zu erzielen.
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Die
beschriebenen Schichten 17, 18, 19 sind nacheinander
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 zweite Gleitfläche 12 der
Steuerplatte 9 gleichmäßig aufgebracht.
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Die
der äußeren Schicht 17 gegenüberliegende
erste Gleitfläche 11 der ebenfalls vollständig aus
Stahl bestehenden Zylindertrommel 3 ist vorzugsweise durch
Nitrieren gehärtet.
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Vorzugsweise
werden auch auf der zweiten Gleitfläche 12 der
Steuerplatte 9 aufgebrachte Kerben, Bohrungen und Bereiche
der Innenseiten der Öffnungen 16 mit dem zuvor
beschriebenen Schichtaufbau 17, 18, 19 überzogen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine 1 kann
anstatt der zweiten Gleitfläche 12 die erste Gleitfläche 11 mit
einer Haftvermittlerschicht, einer Stützschicht und der
kohlenstoffhaltigen äußeren Schicht überzogen
sein, wobei dann vorzugsweise auch die Innenflächen der Öffnungen 8 mit
dem beschriebenen Schichtaufbau 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004033321
B4 [0005]