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Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Kolbenmaschine mit relativ zueinander beweglichen Bauteilen, die aneinander anliegende Gleitflächen haben und somit ein Gleitpaar bilden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine hydrostatische Axialkolbenmaschine und hier wiederum auf eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise.
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Bei letztgenannten Kolbenmaschinen dreht sich eine Zylindertrommel relativ zu einer ruhenden scheibenförmige Steuer- bzw. Verteilerplatte. In der Zylindertrommel sind Zylinder ausgebildet, in den Kolben axial zur Drehachse der Zylindertrommel bewegt werden. Über die Verteilerplatte werden die Zylinder abwechselnd mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckseite der Maschine verbunden. Dazu ist an der Zylindertrommel und an der Verteilerplatte jeweils eine vergleichsweise große (etwa scheibenartige) Gleitfläche ausgebildet.
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Die
DE 10 2008 060 491 A1 offenbart eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer drehenden Zylindertrommel und einer ruhenden Verteilerplatte, wobei zwischen diesen beiden Bauteilen eine sphärische Gleitfläche gebildet ist. Dort wird eine Verschleißschutzschicht offenbart, die eine Haftvermittlerschicht, eine Stützschicht und eine äußere Schicht aufweist. Da zwischen der Zylindertrommel und der Verteilerplatte Druckmittel übertritt, das unter Arbeitsdruck bzw. Hochdruck steht, müssen die Gleitflächen und damit die drei Schichten zwischen der Zylindertrommel und der Steuerplatte mit hohem Aufwand präzise gefertigt werden. Die Anforderungen erhöhen sich, wenn die Gleichflächen sphärisch sind.
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Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, die Zylindertrommel aus Guss, Stahl oder Sintermaterial zu fertigen und die Verteilerplatte aus Gleitlager-Messing herzustellen. Weiterhin ist es bekannt, auf die Zylindertrommel weiches Material wie zum Beispiel Bronze aufzuschmelzen. Dann ist die Verteilerplatte meist aus gehärtetem Stahl gefertigt.
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Nachteilig an derartigen Kolbenmaschinen ist die geringe Härte der Bronze beziehungsweise des Messings, so dass derartigen Kolbenmaschinen in Ihrer Druckfestigkeit begrenzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydrostatische Kolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Gleitpaarungen kostengünstig herstellbar und darüber hinaus auch bei hohen Systemdrücken und daraus resultierenden hohen Reibkräften langlebig sind, so dass die Kolbenmaschine eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die beanspruchte hydrostatische Kolbenmaschine hat zumindest eine Gleitpaarung, die aus Gleitflächen zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile besteht. Die beiden betroffenen Bauteile der Kolbenmaschine enthalten Eisen und sind z.B. aus Guss- oder Sintermaterial, insbesondere aber aus Stahl gefertigt. Erfindungsgemäß weisen eine der Gleitflächen oder beide Gleitflächen eine Verbindungsschicht und eine Oxidschicht auf, wobei die Verbindungsschicht vorzugsweise Teil einer durch Nitrocarburieren, insbesondere durch Gasnitrocarburieren erzeugten Randschicht ist. Dadurch ist das betroffene Bauteil auch bei hohen Systemdrücken ein verschleißfester und korrosionsbeständiger Gleitpartner und ein Fressen ist vermieden.
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Es können beide Bauteile beziehungsweise deren Gleitflächen die Verbindungsschicht aufweisen und dabei kann eine oder beide Gleitflächen die Oxidschicht haben.
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Vorzugsweise wird entweder eines oder werden beide Bauteile beziehungsweise deren Gleitflächen mit einer Fe3O4-Schicht versehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Bei der Herstellung des Bauteils kann die Gleitfläche während des Nitrocarburierens, insbesondere während des Gasnitrocarburierens oder nachträglich oxidiert werden.
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Die Nitrocarburierschicht besteht aus der äußeren Verbindungsschicht und einer darunter liegenden Diffusionsschicht. Die Verbindungsschicht kann eine Dicke zwischen 5 µm und 50 µm aufweisen.
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Die Oxidschicht kann eine Dicke zwischen 0,5 µm und 5 µm aufweisen.
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Bei einem besonders bevorzugten Anwendungsfall des einen oder der beiden erfindungsgemäß behandelten Bauteile sind diese einer Axialkolbenmaschine insbesondere in Schrägscheibenbauweise zugeordnet.
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Es folgen verschieden Paarungen von Bauteilen einer Axialkolbenmaschine, an deren Gleitflächen die erfindungsgemäße Verbindungsschicht und Oxidschicht mit Vorteil vorgesehen sein kann.
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Die beiden Bauteile können einerseits eine drehbar antreibbare, Zylinderbohrungen aufweisende Zylindertrommel und andererseits in den Zylinderbohrungen verschiebbar antreibbare Kolben sein. Es können die Kolben, die Zylindertrommel insbesondere in den Zylinderbohrungen oder die Kolben und Zylindertrommel zumindest an ihrer Gleitfläche für den Gleitpartner mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein.
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Die beiden Bauteile können einerseits Kolbengleitschuhe und andererseits daran schwenkbar gelagerte Gelenkkugeln von Kolben sein. Es können die Kolbengleitschuhe, die Kolben oder die Kolbengleitschuhe und die Kolben zumindest an ihrer Gleitfläche für den Gleitpartner mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein.
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Vorzugsweise bestehen die Kolben aus Stahl.
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Die beiden Bauteile können einerseits eine feststehende scheibenförmige Steuerbeziehungsweise Verteilerplatte und andererseits eine an der Verteilerplatte anliegende drehbar antreibbare Zylindertrommel sein. Es können die Verteilerplatte oder die Zylindertrommel oder die Verteilerplatte und die Zylindertrommel zumindest an ihrer Gleitfläche für den Gleitpartner mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein. Die beiden Gleitflächen können eben oder zur Zentrierung sphärisch sein.
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Die beiden Bauteile können einerseits Kolbengleitschuhe und andererseits eine Rückzugplatte sein, die die Kolbengleitschuhe in Anlage an eine Stützfläche einer Schwenkwiege hält. Es können die Rückzugplatte oder die Kolbengleitschuhe oder die Rückzugplatte und die Kolbengleitschuhe zumindest an ihrer Gleitfläche für den Gleitpartner mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein.
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Die beiden Bauteile können einerseits eine Rückzugplatte zum Halten eines oder mehrerer Kolbengleitschuhe in Anlage an eine Stützfläche einer Schwenkwiege und andererseits eine Rückzugkugel sein, die auf einer Triebwelle angeordnet ist und die Rückzugplatte mit einer Kraft gegen die Schwenkwiege beaufschlagt. Es können die Rückzugplatte oder die Rückzugkugel oder die Rückzugplatte und die Rückzugkugel zumindest an ihrer Gleitfläche für den Gleitpartner mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein.
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Die beiden Bauteile können einerseits eine mit einem Außenverzahnungsbereich versehende Triebwelle und andererseits eine mit einer Innenverzahnungsbohrung versehene Zylindertrommel sein. Über die Verzahnungen ist die Triebwelle an die Zylindertrommel gekoppelt. Es können die Verzahnung an der Triebwelle oder die Verzahnung an der Zylindertrommel oder beide Verzahnungen mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein.
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Die beiden Bauteile können einerseits Kolbengleitschuhe und andererseits eine Schrägscheibe sein, an der sich die Kolbengleitschuhe abstützen. Es können die Schrägscheibe oder die Kolbengleitschuhe oder die Schrägscheibe und die Kolbengleitschuhe zumindest an ihrer Gleitfläche für den Gleitpartner mit der Verbindungsschicht und der Oxidschicht versehen sein.
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Wenn die Axialkolbenmaschine ein Motor ist, ist die Triebwelle eine Abtriebswelle. Wenn die Axialkolbenmaschine eine Pumpe ist, ist die Triebwelle eine Antriebswelle.
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Im Folgenden wird anhand einer 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. 1 zeigt eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise in einem Längsschnitt.
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Die dargestellte Axialkolbenmaschine besitzt eine Triebwelle 1, die über zwei Wälzlager 2, 3 in einem Gehäuse 16 drehbar gelagert ist. Die Triebwelle 1 hat einen ersten Wellenabschnitt, der radial von einer Ausnehmung einer Zylindertrommel 4 umschlossen ist. Ein zweiter Wellenabschnitt weist einen Außenverzahnungsbereich 5 auf, auf dem die Zylindertrommel 4 mit einer Innenverzahnungsbohrung 6 angeordnet ist. Über die Zahnwellenverbindung 5, 6 ist die Zylindertrommel 4 drehfest an die Triebwelle 1 gekoppelt. Wenn die Axialkolbenmaschine als Pumpe eingesetzt wird, dient die Triebwelle 1 als Antriebswelle und nimmt die Zylindertrommel 4 mit.
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Die Zylindertrommel 4 besitzt eine Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Zylindern 7, die als Bohrungen ausgebildet sind, und in denen jeweils ein Kolben 8 verschiebbar geführt ist. Dieser begrenzt gemeinsam mit dem Zylinder 7 einen Arbeitsraum 9, dessen Volumen vom Hub des Kolbens 8 abhängt.
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Eine dem Arbeitsraum 9 entfernte Gelenkkugel 10 jedes Kolbens 8 ist gelenkig mit einem Kolbengleitschuh 11 verbunden. Diese liegen an einer Stützfläche 13 einer Schwenkwiege 12 an, die drehfest und gegenüber dem Gehäuse 16 über eine Verstellvorrichtung 20 schwenkbar ist. Damit lässt sich der Anstellwinkel der Schwenkwiege 12 und insbesondere ihrer Stützfläche 13 einstellen, an der die Kolbengleitschuhe 11 in Anlage sind und entlang gleiten können. Durch den Anstellwinkel der Stützfläche 13 wird der Hub jedes Kolbens 8 bei einer Umdrehung der Zylindertrommel 4 bestimmt. Wenn die Axialkolbenmaschine als Pumpe eingesetzt wird, wird auf diese Weise ihr Fördervolumen eingestellt.
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Auf der Triebwelle ist eine Rückzugkugel 18 angeordnet, die als radial erweiterter Kugelabschnitt ausgebildet ist. Die Rückzugkugel 18 beaufschlagt eine Rückzugplatte 19 mit einer Kraft in Richtung auf die Schwenkwiege 12, wobei die Rückzugplatte 19 wiederum die Kolbengleitschuhe 11 in Anlage an der Stützfläche 13 der Schwenkwiege 12 hält.
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An der von der Schwenkwiege 12 abgewandten Seite besitzt die Zylindertrommel 4 eine Stirnwandung, mit der sie an einer am Gehäuse 16 abgestützten, drehfesten scheibenförmige Steuer- beziehungsweise Verteilerplatte 15 in Anlage ist. Die Verteilerplatte 15 weist eine Druckniere und eine Saugniere auf, die auf demselben Teilkreis wie die Zylinder 7 liegen. Ein Niere liegt oberhalb und die andere Niere unterhalb der Zeichen- bzw. Schnittebene. Die beiden Nieren dienen dazu, die Zylinder 7 während der Drehung der Zylindertrommel alternierend mit einem Hochdruckkanal und einem Niederdruckkanal (nicht gezeigt) der Axialkolbenmaschine zu verbinden.
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Die Zylindertrommel 4 und die Verteilerplatte 15 bestehen aus Guss- oder Sintermaterial beziehungsweise einem anderen Eisenwerkstoff, insbesondere aus einem Stahlwerkstoff.
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Eines der beiden Bauteile 4 und 15 oder beide Bauteile 4 und 15 sind durch Nitrocarburieren, insbesondere durch Gasnitrocarburieren mit einer Randschicht versehen worden, die außen eine Verbindungsschicht aufweist. Beim Nitrocarburieren wird die Oberfläche der Bauteile mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Dies erfolgt in einer Gasatmosphäre, die Ammoniak und Kohlenstoff abgebende Zusatzgase enthält, bei einer Behandlungstemperatur von zum Beispiel 570 °C bis 580° C. Die dabei entstehende Randschicht besteht aus einer Verbindungsschicht, deren Dicke von der Behandlungsdauer abhängt und zum Beispiel 20 µm sein kann, und einer darunter liegenden Diffusionsschicht.
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Nach dem Nitrocarburieren wurden eines der beiden Bauteile 4 und 15 oder beide Bauteile 4 und 15 in einem Sauerstoff abgebenden Medium nachoxidiert. Dabei wird im äußeren Bereich der Verbindungsschicht eine Fe3O4-Oxydschicht mit einer Dicke von etwa 2–3 µm gebildet.
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Auch andere Gleitpartner einer Axialkolbenmaschine können wie vorstehend für die Zylindertrommel und die Verteilerplatte beschrieben behandelt werden. Es handelt sich dabei insbesondere um folgende Gleitpartner:
- – Zylindertrommel 4 und Kolben 8
- – Kolbengleitschuhe 11 und Kolben 8
- – Kolbengleitschuhe 11 und Rückzugplatte 19
- – Rückzugkugel 18 und Rückzugplatte 19
- – Kolbengleitschuhe 11 und Schwenkwiege 12
- – Zylindertrommel 4 und Triebwelle 1
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Offenbart ist eine hydrostatische Kolbenmaschine mit zumindest einer Gleitpaarung, die aus Gleitflächen zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile besteht, deren Werkstoff Eisen enthält. Zumindest eine der Gleitflächen weist eine Verbindungsschicht und eine Oxidschicht auf, wobei die Verbindungsschicht vorzugsweise Teil einer durch Nitrocarburieren, insbesondere durch Gasnitrocarburieren erzeugten Randschicht ist.
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Eine erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine ist mit besonderem Vorteil als Komponente eines hydraulischen Hybridantriebs in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Personenkraftfahrzeug verwendbar. In Fahrzeugen kommt es in besonderer Weise auf einen geringen Platzbedarf und niedrige Kosten der einzelnen Komponenten bei hoher Leistung an.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008060491 A1 [0003]
