DE102012010176A1

DE102012010176A1 - Hydrostatische Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE102012010176A1
Application number: DE201210010176
Authority: DE
Inventors: Gerd Gaisser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-10-17
Also published as: WO2013156428A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hydrostatische Kolbenmaschine mit relativ zueinander beweglichen Bauteilen, deren aneinander anliegende Gleitflächen aus Gleitpaarungen bildenden unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei eines der Materialien einer Gleitpaarung ein metallischer Sinterwerkstoff ist. Das andere Material der Gleitpaarung ist ein Eisen enthaltender Werkstoff, dessen Gleitflächen eine Nitrocarburierschicht oder eine Gasnitrierschicht aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Kolbenmaschine mit relativ zueinander beweglichen Bauteilen, deren aneinander anliegende Gleitflächen aus Gleitpaarungen bildenden unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei eines der Materialien einer Gleitpaarung ein metallischer, eventuell auch ein keramischer Sinterwerkstoff ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine hydrostatische Axialkolbenmaschine und hier wiederum auf eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und eine hohe Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das andere Material der Gleitpaarung ein Eisen enthaltender Werkstoff ist, dessen Gleitfläche eine Nitrocarburierschicht oder eine Gasnitrierschicht aufweist.
Bei derartigen Kolbenmaschinen ist durch das Sintern das eine Bauteil mit hoher Maßhaltigkeit und Einhaltung hoher Formtoleranzen und hoher Oberflächengüte kostengünstig herstellbar. Durch das Nitrocarburieren erhält das andere Bauteil eine verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche, die gleichzeitig noch ein Gleitpartner des Sinterbauteils geringer Reibung ist.
Damit ist die Gefahr eines Fressens dieser an ihren Gleitflächen aufeinander gleitenden Bauteile zumindest weitgehend vermieden.
Auf eine Wärmebehandlung des gesinterten Bauteils, die infolge der Materialinhomogenität zu nicht berechen- und damit kompensierbaren Dimensionsänderungen führen würde, kann verzichtet werden. Weiterhin sind die Bauteile von hoher Druckfestigkeit und damit die Kolbenmaschine gut bei hohen Drücken betreibbar.
Für das andere Bauteil sind sich somit bevorzugt folgende Schritte bei der Herstellung durchzuführen:
Ein Rohteil wird spanend bearbeitet, gefräst oder gedreht;
anschließend wird das Teil einer Wärmebehandlung, bevorzugt einer Gasnitrierung, unterzogen und dabei gehärtet;
dann wird das Bauteil geschliffen, wobei die gehärtete äußere Schicht teilweise abgetragen wird;
eventuell schließt sich ein Durchgangsschleifen an;
schließlich folgt die Gasnitrocarburierung als weitere Wärmebehandlung.
Eine weitere mechanische Bearbeitung des Bauteils erfolgt höchstens noch in einem solch geringen Maße, dass die Eigenschaften der Gleitschicht des anderen Bauteils erhalten bleiben. Bevorzugt erfolgt nach der Gasnitrocarburierung kein weiterer Abtrag mehr durch eine mechanische Bearbeitung.
Eine weitere Verbesserung der vorteilhaften Eigenschaften wird bei einer solchen Kolbenmaschine insbesondere für einen Betrieb bei hohen Drücken dadurch erreicht, dass die Nitrocarburierschicht nachoxidiert ist.
Dadurch erhält dieses Bauteil ohne beziehungsweise ohne wesentliche Maßänderung eine beständige Oberfläche besonders hoher Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Die Nitrocarburierschicht besteht aus einer äußeren Verbindungsschicht und einer darunter liegenden Diffusionsschicht. Durch Nachoxidation wird auf der Verbindungsschicht eine Oxidschicht gebildet.
Die die Verbindungsschicht kann eine Dicke zwischen 5 μm und 50 μm, vorzugsweise zwischen 8 μm und 12 μm aufweisen.
Erfolgt auch ein Nachoxidieren, so weist die Oxidschicht eine Dicke zwischen 0,5 μm und 5 μm, vorzugsweise zwischen 2 μm und 3 μm auf.
Da keine Nachbearbeitung erforderlich ist, bei der es zu einer Reduzierung der Oxidschicht kommen würde, ist die Oxidschicht ausreichend dick um die oben genannten Vorteile zu erreichen.
Die hydrostatische Kolbenmaschine kann eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise oder in Schrägscheibenbauweise sein.
Sind dabei die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine drehbar antreibbare, Zylinderbohrungen aufweisende Zylindertrommel und in den Zylinderbohrungen verschiebbar antreibbare Kolben, wobei die Zylindertrommel aus dem Sinterwerkstoff und die Kolben aus Stahl bestehen sowie die Kolben ganz oder teilweise mit der Nitrocarburierschicht versehenen sind, so erfolgt eine Wärmebehandlung nur der mit der ggf. nachoxidierten Nitrocarburierschicht versehenen Bauteile, während die Sinterbauteile nicht wärmebehandelt bleiben.
Ebenfalls erfolgt eine Wärmebehandlung nur der mit der gegebenenfalls nachoxidierten Nitrocarburierschicht versehenen Bauteile und nicht der Sinterbauteile, wenn die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile ein oder mehrere Kolbengleitschuhe und an den Kolbengleitschuhen schwenkbar gelagerte Gelenkkugeln von Kolben sind, wobei die Kolbengleitschuhe aus dem Sinterwerkstoff und die Kolben aus Stahl bestehen sowie die Kolben ganz oder teilweise mit der Nitrocarburierschicht versehenen sind.
Dies trifft auch zu, wenn die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine feststehende Verteilerplatte und eine mit einer Gleitfläche an der Verteilerplatte anliegende, drehbar antreibbare Zylindertrommel sind, wobei die Zylindertrommel aus dem Sinterwerkstoff und die Verteilerplatte aus Stahl bestehen sowie die Verteilerplatte an der Anlagefläche der Zylindertrommel mit der Nitrocarburierschicht versehenen ist.
Weiterhin erfolgt eine Wärmebehandlung nur der mit der ggf. nachoxidierten Nitrocarburierschicht versehenen Bauteile und nicht der Sinterbauteile, wenn die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile ein oder mehrere Kolbengleitschuhe und eine die Kolbengleitschuhe in Anlage an eine Stützfläche einer Schwenkwiege haltende Rückzugplatte sind, wobei die Kolbengleitschuhe aus dem Sinterwerkstoff und die Rückzugplatte sowie die Schwenkwiege aus Stahl bestehen und die Rückzugplatte an ihrer an den Kolbengleitschuhen anliegenden Anlagefläche sowie die Stützfläche der Schwenkwiege mit der Nitrocarburierschicht versehenen ist oder wenn die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine Rückzugplatte zum Halten ein oder mehrerer Kolbengleitschuhe in Anlage an eine Stützfläche einer Schwenkwiege sowie eine die Rückzugplatte gegen die Schwenkwiege beaufschlagende, auf einer Antriebswelle zum Drehantrieb einer Zylindertrommel angeordnete Rückzugkugel sind, wobei die Kolbengleitschuhe und die Rückzugkugel aus dem Sinterwerkstoff und die Rückzugplatte sowie die Schwenkwiege aus Stahl bestehen und die Rückzugplatte an ihrer von der Rückzugkugel beaufschlagten Fläche mit der Nitrocarburierschicht versehenen sind oder wenn die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine mit einem Außenverzahnungsbereich versehene Antriebswelle und eine mit einer Innenverzahnungsbohrung versehene Zylindertrommel sind, mit der die Zylindertrommel auf dem Außenverzahnungsbereich angeordnet ist, wobei die Zylindertrommel aus dem Sinterwerkstoff und die Antriebswelle aus Stahl bestehen und der Außenverzahnungsbereich der Antriebswelle mit der Nitrocarburierschicht versehenen ist.
Dadurch, dass jeweils das gesinterte Bauteil nicht wärmebehandelt wird, kommt es nicht zu größeren Dimensionsänderungen der Bauteile durch eine Wärmebehandlung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise.
Die dargestellte Axialkolbenmaschine besitzt eine Antriebswelle 1, die über zwei Wälzlager 2 und 3 in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Die Antriebswelle 1 hat einen ersten Wellenabschnitt, der radial von einer Ausnehmung einer Zylindertrommel 3 umschlossen ist.
Ein zweiter Wellenabschnitt weist einen Außenverzahnungsbereich 5 auf, auf dem die Zylindertrommel 4 mit einer Innenverzahnungsbohrung 6 angeordnet ist. Über diese Zahnwellenverbindung ist die Zylindertrommel 4 von der drehbar antreibbaren Antriebswelle 1 drehbar antreibbar.
Die Zylindertrommel 4 besitzt eine Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Zylinderbohrungen 7, in denen jeweils ein Kolben 8 verschiebbar geführt ist. Dieser begrenzt gemeinsam mit der Zylinderbohrung 7 einen Arbeitsraum 9, dessen Volumen vom Kolbenhub abhängig ist.
Eine dem Arbeitsraum 9 entfernte Gelenkkugel 10 des Kolbens 8 ist gelenkig mit einem Kolbengleitschuh 11 verbunden. Dieser Kolbengleitschuh 11 liegt an einer gehäusefest angeordneten schwenkbaren Schwenkwiege 12, auch Schrägscheibe genannt, an, wobei der Anstellwinkel der Stützfläche 13, an der die Kolbengleitschuhe 11 in Anlage sind und entlanggleiten können, einen bei einer Umdrehung der Zylindertrommel 4 ausgeführten Kolbenhub bestimmt.
Auf der Antriebswelle 1 ist eine Rückzugkugel 18 angeordnet, die eine Rückzugplatte 19 in Richtung auf die Schwenkwiege 12 zu beaufschlagt, wobei die Rückzugplatte 19 wiederum die Kolbengleitschuhe 11 in Anlage an der Stützfläche 13 der Schwenkwiege 12 hält. Auf der der Schwenkwiege 12 abgewandten Seite besitzt die Zylindertrommel 4 eine Stirnwandung 14, mit der sie an einer am Gehäuse abgestützten, drehfesten Verteilerplatte 15 in Anlage ist, die eine Druckniere 16 und eine Saugniere 17 auf demselben Teilkreis wie die Zylinderbohrungen 7 aufweist. Die Druckniere 16 und die Saugniere 17 stehen mit dem Hochdruckkanal beziehungsweise dem Niederdruckkanal einer Anschlussplatte 21 in Verbindung.
Die Schwenkwiege 12 ist schwenkbar am Gehäuse gelagert und in ihrer Schwenkstellung durch eine Verstellvorrichtung 20 einstellbar.
Die Zylindertrommel 4, die Kolbengleitschuhe 11, und die Rückzugkugel 18 bestehen aus einem metallischen Sinterwerkstoff, der keiner Wärmebehandlung unterworfen wurde.
Die Antriebswelle 1, die Kolben 8 mit ihren Gelenkkugeln 10, die Schwenkwiege 12, die Verteilerplatte 15 und die Rückzugplatte 19 bestehen aus Stahl und wurden durch Nitrocarburieren mit einer Nitrocarburierschicht versehen. Anschließend erfolgte noch ein Nachoxidieren, so dass die oberste Schicht dieser Bauteile eine Oxidschicht ist, die eine Dicke von 3 μm aufweist.
Bei dem Nitrocarburieren wurde die Oberfläche der Bauteile mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Dies erfolgte in einer Gasatmosphäre, die Ammoniak und kohlenstoffabgebenden Zusatzgase enthält, bei einer Behandlungstemperatur von z. B. 570°C bis 580°C.
Die dabei entstehende Nitrocarburierschicht besteht aus einer Verbindungsschicht von z. B. etwa 20 μm und einer darunter liegenden Diffusionsschicht.
Danach werden diese Bauteile in einem Sauerstoff abgebenden Medium nachoxidiert. Dabei wird im äußeren Bereich der Verbindungsschicht eine Fe₃O₄-Oxidschicht von einer Dicke von etwa 2 μm gebildet.
Durch diese Beschichtung kommen relativ zueinander bewegliche und an Gleitflächen aneinander liegende Bauteilpaarungen zustande, bei denen das eine Bauteil aus einem metallischen Sinterwerkstoff und das andere Bauteil aus einem mit einer nachoxidierten Nitrocarburierschicht beschichteten Stahl besteht.
Dabei sind die Bauteilpaarungen die folgenden:

Zylindertrommel 4 und Kolben 8
Kolbengleitschuhe 11 und Gelenkkugeln 10 der Kolben 8
Zylindertrommel 4 und Verteilerplatte 15
Kolbengleitschuhe 11 und Rückzugplatte 19
Rückzugkugel 18 und Rückzugplatte 19
Kolbengleitschuhe 11 und Schwenkwiege 12
Zylindertrommel 4 und Antriebswelle 1.

Claims

Hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit relativ zueinander beweglichen Bauteilen, deren aneinander anliegende Gleitflächen aus Gleitpaarungen bildenden unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei das Material des einen Bauteils ein metallischer oder keramischer Sinterwerkstoff ist, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Bauteil aus einem Material auf Eisenbasis, insbesondere aus einem Stahl besteht und an seiner Gleitfläche eine Nitrocarburierschicht aufweist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrocarburierschicht nachoxidiert ist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrocarburierschicht aus einer äußeren Verbindungsschicht und einer darunter liegenden Diffusionsschicht besteht.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Verbindungsschicht durch eine Nachoxidation eine Oxidschicht befindet.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht eine Dicke zwischen 5 μm und 50 μm, insbesondere eine Dicke von 8 μm und 12 μm aufweist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht eine Dicke zwischen 0,5 μm und 5 μm, insbesondere eine Dicke zwischen 2 μm und 3 μm aufweist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Axialkolbenmaschine ist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine drehbar antreibbare, Zylinderbohrungen (7) aufweisende Zylindertrommel (4) und in den Zylinderbohrungen (7) verschiebbar antreibbare Kolben (8) sind, wobei die Zylindertrommel (4) aus dem Sinterwerkstoff und die Kolben (8) aus Stahl bestehen sowie die Kolben (8) ganz oder teilweise mit der Nitrocarburierschicht versehenen sind.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile ein oder mehrere Kolbengleitschuhe (11) und an den Kolbengleitschuhen (11) schwenkbar gelagerte Gelenkkugeln (10) von Kolben (8) sind, wobei die Kolbengleitschuhe (11) aus dem Sinterwerkstoff und die Kolben (8) aus Stahl bestehen sowie die Kolben (8) ganz oder teilweise mit der Nitrocarburierschicht versehenen sind.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine feststehende Verteilerplatte (15) und eine mit einer Gleitfläche an der Verteilerplatte (15) anliegende, drehbar antreibbare Zylindertrommel (4) sind, wobei die Zylindertrommel (4) aus dem Sinterwerkstoff und die Verteilerplatte (15) aus Stahl bestehen sowie die Verteilerplatte (15) an der Anlagefläche der Zylindertrommel (4) mit der Nitrocarburierschicht versehenen ist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile ein oder mehrere Kolbengleitschuhe (11) und eine die Kolbengleitschuhe (11) in Anlage an eine Stützfläche (13) einer Schwenkwiege (12) haltende Rückzugplatte (19) sind, wobei die Kolbengleitschuhe (11) aus dem Sinterwerkstoff und die Rückzugplatte (19) sowie die Schwenkwiege (12) aus Stahl bestehen und die Rückzugplatte (19) an ihrer an den Kolbengleitschuhen (11) anliegenden Anlagefläche sowie die Stützfläche (13) der Schwenkwiege (12) mit der Nitrocarburierschicht versehenen ist.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine Rückzugplatte (19) zum Halten ein oder mehrerer Kolbengleitschuhe (11) in Anlage an eine Stützfläche (13) einer Schwenkwiege (12) sowie eine die Rückzugplatte (19) gegen die Schwenkwiege (12) beaufschlagende, auf einer Antriebswelle (1) zum Drehantrieb einer Zylindertrommel (4) angeordnete Rückzugkugel (18) sind, wobei die Kolbengleitschuhe (11) und die Rückzugkugel (18) aus dem Sinterwerkstoff und die Rückzugplatte (19) sowie die Schwenkwiege (12) aus Stahl bestehen und die Rückzugplatte (19) an ihrer von der Rückzugkugel (18) beaufschlagten Fläche mit der Nitrocarburierschicht versehenen sind.
Hydrostatische Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei relativ zueinander beweglichen Bauteile eine mit einem Außenverzahnungsbereich (5) versehene Antriebswelle (1) und eine mit einer Innenverzahnungsbohrung (6) versehene Zylindertrommel (4) sind, mit der die Zylindertrommel (4) auf dem Außenverzahnungsbereich (5) angeordnet ist, wobei die Zylindertrommel (4) aus dem Sinterwerkstoff und die Antriebswelle (1) aus Stahl bestehen und der Außenverzahnungsbereich (5) der Antriebswelle (1) mit der Nitrocarburierschicht versehenen ist.