DE102010026157A1

DE102010026157A1 - Hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010026157A1
Application number: DE201010026157
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Blum
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012003922A2; CN102959259B; CN102959259A; WO2012003922A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einer Triebwelle, die in einem Gehäuse drehbar gelagert ein Triebwelle und Gehäusewand durch ein Radialwellendichtsystem abgedichtet ist, welches einen Radialwellendichtring und eine Gegenlauffläche aufweist, deren Oberfläche eine hydrodynamische Rückförderstruktur aufweist. Es stellt sich die Aufgabe, eine hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine der der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein besonders beständiges Radialwellendichtsystem mit hoher Dichtigkeit und besonders geringem Leckageverhalten aufweist. Dies wird dadurch erreicht, indem die Rückförderstruktur mit einer harten diamantähnlichen Oberflächenbeschichtung versehen ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer hydrostatischen Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
Bekannte hydrostatische Maschinen, insbesondere Axialkolbenmaschinen besitzen eine Triebwelle, die in einem Gehäuse der Axialkolbenmaschine drehbar gelagert ist. Die rotierende Welle wird durch eine Gehäusewand nach außen geführt. Zur Abdichtung des Fluids an der Wellendurchtrittstelle wird bekanntermaßen ein Radialwellendichtsystem eingesetzt. Das Radialwellendichtsystem besteht aus drei Komponenten, dem abzudichtenden Fluid, der Radialwellendichtung und der Gegenlauffläche der Dichtung. Durch eine radiale Pressung der Radialwellendichtung auf der Gegenlauffläche wird Dichtwirkung erzielt, um den Austritt von abzudichtendem Fluid nach außen zu verhindern. Allerdings ist bei zueinander beweglichen Bauteilen eine geringfügige Leckage in der Regel nicht oder nur mit hohem Aufwand auszuschließen. Die Leckage nimmt z. B. mit steigender Umlaufgeschwindigkeit der Welle, mit steigender Temperatur des Hydraulikmediums oder bei Druckbeaufschlagung zu. Hierzu ist es bekannt, das Radialwellendichtsystem mit einer zusätzlichen Dichthilfe in Form einer hydrodynamischen Rückförderstruktur zu versehen, die dazu dient, das aus dem Gehäuseinnenraum austretende und in die Rückförderstruktur gelangende Fluid in den Gehäuseinnenraum zurückzufördern. Dabei ist die oft spiralförmige Rückförderstruktur auf einer Dichtfläche der Radialwellendichtung oder/und auf der Gegenlauffläche der Radialwellendichtung angeordnet. Die Gegenlauffläche kann die Oberfläche der Welle direkt oder die Außenwand einer Dichtbuchse sein. Da die Oberflächenbehandlung der Welle aufgrund teurer Maschinen und langer Bearbeitungszeiten hohe Herstellungskosten verursacht, ist es bekannt, als wesentlich kostengünstigere Variante zur Bildung einer Gegenlauffläche der Dichtung eine Dichtbuchse auf der Welle anzuordnen. Gemäß der DE 42 32 891 ist einer Dichteinheit eine Verschleißhülse zugeordnet, die an einer Welle fluiddicht befestigbar ist und ein durch Metallkaltfließen geformtes Oberflächenmuster aufweist, das wenigstens ein hydrodynamisches Pumpelement aufweist.
Treten allerdings zwischen Dichtung und Gegenlauffläche Festkörperkontakte auf oder beinhaltet das Fluid abrasive Bestandteile, so wird die Dichtfläche und die Gegenlauffläche und damit die Rückförderstruktur durch Materialabrasion beschädigt, sodass es zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Funktionalität sowie der Lebensdauer, insbesondere zu ungewollt hoher Leckage führt.
Besonders kritisch ist der Einsatz niedrigviskoser und damit oftmals schlecht schmierbarer Fluide, beispielsweise schwer entflammbare Hydraulikfluide, die auf der einen Seite eine schwere Entflammbarkeit garantieren, aber auf der anderen Seite die Leckage verstärken, sowie die Korrosion und Verschleiß fördern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein besonders beständiges Radialwellendichtsystem mit hoher Dichtigkeit und besonders geringem Leckageverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird für eine hydrostatische Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Bei einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine ist die Rückförderstruktur auf der Außenwand der Dichtbuchse mit einer harten diamantähnlichen Oberflächenbeschichtung versehen. Die diamantähnliche Oberflächenbeschichtung wird nach Einbringen der Rückförderstruktur aufgebracht, ohne die Rückförderstruktur in ihrer Form und Funktionswirkung zu beeinflussen. Die erzeugte verschleißfeste und nahezu reibungsfreie Hartstoffoberflächenschicht bildet die hydrodynamische Rückförderstruktur maßgetreu ab. Die diamantähnliche Oberflächenschicht zeichnet sich zusätzlich durch exzellente Wärmeleitfähigkeit sowie hohe chemische Beständigkeit aus, sie ist vollständig glatt und geschlossen. Die Oberflächenschicht bewirkt auch die Senkung des Verschleißes am Gegenkörper, der Radialwellendichtung. Hiermit wird eine hohe Dichtigkeit des Radialwellendichtsystems bei langer Lebensdauer erzielt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Oberflächenbeschichtung DLC. Die „Diamond like Carbon”(DLC)-Schicht ist eine Kohlenstoffschicht, die besonders hart, widerstandsfähig, korrosionsbeständig und reibarm ist, sodass diese eine Erhöhung der Belastbarkeit und eine Vergrößerung des Einsatzbereiches bietet. Durch die DLC-Schicht wird die Effizienz des hochbelasteten Radialwellendichtsystems stark gesteigert, sodass diese aufgrund ihrer extremen Widerstandsfähigkeit auch bei besonderen Anforderungen an die hydrostatische Maschine zum Einsatz kommt, wodurch letztlich ein großer wirtschaftlicher Nutzen erzielt werden kann. Zu besonderen Anforderungen zählen z. B. Anwendungen mit verlängerten Standzeiten oder Anwendungen, die den Einsatz wasserhaltiger Fluide erfordern.
Vorzugsweise weist die Oberflächenbeschichtung eine Dicke von 3–5 μm auf. Das bedeutet, dass die DLC-Schicht eine besonders dünne und dennoch extrem widerstandsfähige, harte Verschleißschutzschicht darstellt, die die Rückförderstruktur in ihrer Beschaffenheit und Funktion nicht beeinflusst. Die Oberflächenschichtdicke kann in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Rückförderstruktur auch stärker sein. Die Schichtdicke kann in Abhängigkeit der Anwendung der hydrostatischen Maschine unterschiedlich ausgestaltet sein.
Je nach Aufbau der Oberflächenbeschichtung kann diese eine Schichthärte von 2000–6000 HV aufweisen. Mit zunehmender Härte nimmt der Verschleißbetrag ab, die Lebensdauer der Rückförderstruktur steigt mit der Härte der Verschleißschutzschicht. Zudem kann die Schutzschichtdicke mit zunehmender Härte dünner werden, sodass die Rückförderstruktur in ihrer Funktion unverändert wirkt. Hinsichtlich der Schichthärte ist eine Variation in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes möglich.
Als äußerst vorteilhaft erweist es sich, dass die Oberflächenbeschichtung einen niedrigen Gleitreibungskoeffizient μ von 0,1–0,2 hat. Durch den extrem geringen Reibungskoeffizienten μ von 0,1–0,2 bei Trockenreibung gegen Stahl 100Cr6 kommt es nur zu einer geringen Temperaturbelastung des Radialwellendichtsystems und damit zu einer Steigerung der Lebensdauer. Bei Mangelschmierung mindert die reibarme DLC-Schicht die Gefahr des Fressens. Das bedeutet, dass auch bei langen Standzeiten das Losbrechmoment sehr gering ist, was wiederum die Lebensdauer positiv beeinflusst und vor allem auch das Anwendungsspektrum der Maschine stark erweitert.
Besondere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das erfindungsgemäße Radialwellendichtsystem mit der diamantähnlich oberflächenbeschichteten Rückförderstruktur auf der Gegenlauffläche für den Einsatz wasserhaltiger Fluide geeignet ist. Wasserhaltige Fluide sind oftmals niedrigviskos und damit schlecht schmierend. Durch die Kombination einer DLC-beschichteten Dichtbuchse mit Rückförderstruktur und einer druckbelastbaren PTFE-Wellendichtung ist das erfindungsgemäße Radialwellendichtsystem für extreme Betriebsbedingungen geeignet und damit einsetzbar bei hohen Differenzdrücken, Trockenlauf und hohen Betriebstemperaturen.
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Maschine, insbesondere einer Axialkolbenmaschine sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise und,
2 eine perspektivische Ansicht mit Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Radialwellendichtsystems.
Die in 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 in Schrägscheibenbauweise weist ein Triebwerk 2 auf, das in einem Gehäuse 3 angeordnet ist.
Das Triebwerk 2 umfasst als wesentliche Bauteile eine über zwei Wälzlager 20, 21 drehbar gelagerte Triebwelle 4, eine Zylindertrommel 5, die auf einem Teilkreis angeordnete, axial verlaufende Zylinderbohrungen 6 mit darin längsverschiebbaren Kolben 7 aufweist, bodenseitig mit einer sphärischen Ausnehmung 8 ausgeführt ist und über einen Mitnahmebereich 9 in Form einer Zylinderverzahnung drehfest und axial verschiebbar mit der Triebwelle 4 in Verbindung steht und eine gehäusefeste, von der Triebwelle 4 koaxial durchsetzte Steuerplatte 10, die eine zur Lagerung der Zylindertrommel 5 sphärisch ausgebildete Steuerfläche 11 aufweist.
Die in den Zylinderbohrungen 6 längsverschiebbar geführten Kolben 7 sind zylindrisch ausgeführt. Die zylindertrommelabseitigen Enden der Kolben 7 stützen sich jeweils über ein Gelenk 12 an einer Schrägscheibe 13 ab.
Die Schrägscheibe 13 wird von der Triebwelle 4 durchsetzt. In dieser Figur ist nicht dargestellt, dass sie als schwenkbar gelagerte Schwenkwiege mit halbzylindrischem Querschnitt ausgebildet und in der jeweiligen Schwenkstellung durch eine Verstellvorrichtung 14 einstellbar angeordnet ist.
Die Zylinderbohrungen 6 münden über Steueröffnungen 15 in die Zylinderbodenfläche mit sphärischer Ausnehmung 8, die mit der analogen Steuerfläche 11 der nichtrotierenden Steuerplatte 10 zum Zwecke der Zu- und Abführung des Druckmittels kooperiert und mit dieser eine Gleitpaarung bildet. Die Steuerplatte 10 realisiert über nierenförmige Steuerschlitze 16, 17 die Zu- und Abführung des Druckmittels der Axialkolbenmaschine, die Steuerschlitze 16, 17 sind über einen Druckkanal 18 und einen Saugkanal 19 an eine nicht gezeigte Druck- und Saugleitung angeschlossen.
Durch die sphärische Ausbildung der Steuerflächen 8 und 11 von Zylindertrommel 5 und Steuerplatte 10 ist die Zylindertrommel 5 selbstzentrierend drehgelagert und diese ist gegen die Steuerplatte vorgespannt.
Die Triebwelle 4 durchsetzt antriebseitig das Gehäuse 3 in einem Dichtflansch 22. Die Abdichtung zwischen Dichtflansch 22 und Triebwelle 4 erfolgt durch ein Radialwellendichtsystem 25, bestehend aus einem Radialwellendichtring 26 und einer Dichtbuchse 27. Die Dichtbuchse 27 ist an einer Innenwand 28 mit einer umlaufenden Nut 30 versehen. In diese ist ein Dichtungsring 31 eingelegt, der sich an die Wellenoberfläche 32 anpresst. Dadurch ist die Dichtbuchse 27 gegen Verdrehen gesichert und der Spalt zwischen Triebwelle 4 und Buchse 27 abgedichtet. Der mittels einem Sicherungsring 34 und einem Dichtring 35 in der Gehäusewand 36 fixierte Dichtflansch 22 weist eine abgesetzt ausgeführte Durchgangsbohrung 37 auf, in welche der Radialwellendichtring 26 von einer Abstufung 38 der Durchgangsbohrung 37 und andererseits von einem, in eine Nut 39 (in 2 dargestellt), in einer Innenwand 40 dieser Abstufung 38, eingelegten Dichtring 41 (in 2 dargestellt) gehalten ist.
Bei einer Drehung der Triebwelle 4 dreht sich aufgrund der drehfesten Verbindung auch die Zylindertrommel 5 mitsamt den Kolben 7. Wenn durch Betätigung der Verstellvorrichtung 12 die Schrägscheibe 11 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 5 verschwenkt ist, führen die Kolben 7 Hubbewegungen aus. Bei einer kompletten Drehung der Zylindertrommel 5 durchläuft jeder Kolben 7 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über Steueröffnungen 15, Steuerscheibe 9 und Druck- 18 und Saugkanal 19 erfolgen.
In 2 ist eine perspektivische Ansicht mit Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Radialwellendichtsystems 25, bestehend aus einem Radialwellendichtring 26 und einer Dichtbuchse 27, gezeigt. Der Radialwellendichtring 26 ist ein Standard-PTFE Wellendichtring in Manschettenbauform mit Kohlefaser. Er kommt besonders dann zum Einsatz, wenn ein Radialwellendichtring die Eigenschaften druckbelastbar, temperaturstabil und chemisch beständig aufweisen muss.
Der Dichtring 26 weist einen Außenmantel 45 aus Stahlblech zur Sicherstellung des Festsitzes des Dichtringes 26 in der Abstufung 38 des Dichtflansches 22 und ein Elastomer 46 zur statischen Abdichtung auf. In der statischen Abdichtung 46 ist eine erste, kohlefaserverstärkte Dichtlippe 47 eingefügt, die schräg gegen die Druckrichtung gestellt ist und die Dichtbuchse 27 dichtend berührt. Die die Dichtbuchse 27 berührende Innenseite der Dichtlippe 47 stellt die Dichtfläche 48 dar. Eine zweite, in die statische Abdichtung 46 eingefügte Dichtlippe 53 ist eine kohlefaserverstärkte Staublippe, die den Schmutzanfall im Abdichtbereich stark reduziert.
Die Dichtbuchse 27 ist eine Stahlbuchse, deren Außenwand (Oberfläche) 51 eine Gegenlauffläche 50 zur Dichtfläche 48 der Dichtlippe 47 bildet.
In die Gegenlauffläche 50 ist eine hydrodynamische Rückförderstruktur 55 als zusätzliche Dichthilfe eingearbeitet. Diese dient dazu, das aus dem Gehäuseinnenraum 42 (in 1) austretende und in die Rückförderstruktur 55 gelangende Fluid in den Gehäuseinnenraum 42 zurückzufördern. Die Rückförderstruktur 55 kann, abhängig vom Fertigungsverfahren, als Rückförderdrall in Form einer wendelförmigen Oberflächenprofilierung, oder in Form von anderen hydrodynamischen Pumpelementen bzw. Oberflächenprofilierungen ausgeführt sein.
Die Rückförderstruktur 55 in der Außenwand 51 der Dichtbuchse 27 ist mit einer harten diamantähnlichen Oberflächenbeschichtung DLC 56 versehen. Die diamantähnliche Oberflächenbeschichtung 56 wird nach Einbringen der Rückförderstruktur aufgebracht, ohne die Rückförderstruktur in ihrer Form und Funktionswirkung zu beeinflussen. Die DLC-Schicht 56 bildet die hydrodynamische Rückförderstruktur maßgetreu ab. Die DLC-Schicht 56 ist eine Kohlenstoffschicht, die eine Dicke von 3–5 μm und eine Schichthärte von 2000–6000 HV aufweist. Die Oberflächenbeschichtung 56 hat einen niedrigen Gleitreibungskoeffizient μ von 0,1–0,2 bei Trockenreibung gegen Stahl 100Cr6.
Als haftvermittelnde Zwischenschicht wird das Bauteil mit einer Chromschicht versehen. Zur Herstellung der DLC-Schicht kommen plasmagestützte Beschichtungstechnologien zum Einsatz. Mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition) und PACVD (Plasma Activated Chemical Vapour Deposition) kann eine Fülle an Schichtvarianten mit der Anwendung entsprechenden Materialeigenschaften erzielt werden.
Die hydrodynamische Rückförderstruktur kann prinzipiell sowohl auf der Dichtfläche der Dichtlippe der Radialwellendichtung oder/und auf der Gegenlauffläche der Radialwellendichtung angeordnet sein. Bei Betrachtung der Lebensdauer des Dichtsystems ist es jedoch vorteilhafter, wenn die hydrodynamische Dichthilfe nicht in die Dichtfläche, sondern in die Gegenlauffläche eingearbeitet ist. Wenn sich die Dichthilfe auf der Dichtfläche befindet, kann sich außerdem zwischen der Staublippe und der Dichtlippe Unterdruck bilden, der die Radialkraft erhöht.
Die Rückförderstruktur kann sowohl in Abhängigkeit der Drehrichtung als auch unabhängig von der Drehrichtung der Triebwelle ausgeführt sein.
Bei Kombination einer beschichteten Dichtbuchse mit Rückförderstruktur und einer druckbelastbaren PTFE-Wellendichtung ist das Radialwellendichtsystem für extreme Betriebsbedingungen geeignet und damit einsetzbar bei hohen Differenzdrücken, Trockenlauf und hohen Betriebstemperaturen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4232891 [0002]

Claims

Hydrostatische Maschine (1), insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einer Triebwelle (4), die in einem Gehäuse (3) drehbar gelagert eine Gehäusewand (36) durchsetzt, wobei ein Spalt zwischen Triebwelle (4) und Gehäusewand (36) durch ein Radialwellendichtsystem (25) abgedichtet ist, welches einen Radialwellendichtring (26) und eine Gegenlauffläche (32, 50) aufweist, deren Oberfläche (32, 51) eine hydrodynamische Rückförderstruktur (55) aufweist, dadurch gekennzeichnet dass die Rückförderstruktur (55) mit einer harten diamantähnlichen Oberflächenbeschichtung (56) versehen ist.
Hydrostatische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (56) DLC ist.
Hydrostatische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (56) eine Schichtdicke bis 10 μm, insbesondere eine Schichtdicke von 3–5 μm aufweist.
Hydrostatische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (56) eine Schichthärte von 2000–6000 HV aufweist.
Hydrostatische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung (56) einen niedrigen Gleitreibungskoeffizient μ von 0,1–0,2 hat.
Hydrostatische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialwellendichtsystem (25) mit der diamantähnlich oberflächenbeschichteten Rückförderstruktur (55) wasserhaltige Fluide abdichtet.