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Die Erfindung betrifft eine Kolbenführungsbuchse für eine hydrostatische Kolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei hydrostatischen Kolbenmaschinen mit in Kolbenführungsbuchsen geführten Kolben führen Betriebszustände mit hoher Drehzahl und niedrigen Drücken zu erhöhter Reibung und Mangelschmierung zwischen Kolbenführungsbuchse und Kolben, was in einer erhöhten lokalen Erwärmung der Kolbenführungsbuchse resultiert. Die dadurch bedingte Ausdehnung führt bei einer vollständig in der Zylinderbohrung eingespannten Kolbenführungsbuchse zu einer Verringerung des Innendurchmessers der Kolbenführungsbuchse, was ein Spiel zwischen Kolbenführungsbuchse und Kolben verringert. Dies wiederum erhöht weiter die Reibung zwischen Kolben und Kolbenführungsbuchse, was zu einer weiter erhöhten Erwärmung bei einer zusätzlichen Verringerung der Wärmeabfuhr führt, da die Menge des durch den verkleinerten Spalt zwischen Kolben und Kolbenführungsbuchse fließenden Druckmittels verringert ist. Dies kann zu einem Verklemmen des Kolbens in der Kolbenführungsbuchse, einem sogenannten Kolbenfresser, führen.
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Aus der
DE 101 57 248 A1 ist zur Vermeidung der Gefahr eines solchen Kolbenfressers bekannt, an einem Bereich einer Laufbuchse mit erhöhter Belastung durch Radialkräfte des darin geführten Kolbens eine axial begrenzte Ausnehmung vorzusehen. Diese Ausnehmung soll die lokale Erwärmung aufnehmen, das heißt, das sich durch die Erwärmung ausdehnende Material der Laufbuchse soll sich in einen durch die Ausnehmung geschaffenen Freiraum zwischen Kolbenführungsbuchse und Zylinderwandung ausdehnen können, ohne dabei das Bewegungsspiel zwischen Laufbuchse und Kolben zu verringern.
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Durch eine derartige Ausnehmung wird aber die Wandung der Laufbuchse an dieser Stelle geschwächt, was bei hoher Belastung, insbesondere bei Betrieb der hydrostatische Kolbenmaschine mit ihrer Eckleistung, zu einem Versagen der Laufbuchse führen kann, beispielsweise zu einem Bruch der Laufbuchse im Bereich der Ausnehmung.
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Aus der
DE 10 2012 214 833 A1 ist zur Vermeidung des Nachteils der in der
DE 101 57 248 A1 beschriebenen Lösung bekannt, die Ausnehmung durch eine spanlose Umformung herzustellen. Auf diese Art werden die Materialfasern nicht durchtrennt und es entsteht im Bereich der Ausnehmung sogar eine Materialverdichtung.
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Aber auch diese Lösung kann die Kolbenführungsbuchse nicht vor einem Versagen bei hoher Leistung schützen, da die Kolbenführungsbuchse an ihrer Innenseite sowohl durch den Fluiddruck im Schmierspalt zwischen Kolben und Kolbenführungsbuchse als auch durch die Radialkräfte des Kolbens belastet ist und durch die Ausnehmung an eben dieser Stelle eine stützende Wirkung durch die Wandung der Kolbenführungsbuchse reduziert ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Kolbenführungsbuchse für eine hydrostatische Kolbenmaschine zu schaffen, bei der die Gefahr des Versagens der Kolbenführungsbuchse beim Betrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine mit hoher Leistung verringert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenführungsbuchse für eine hydrostatische Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Kolbenführungsbuchse sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Kolbenführungsbuchse für eine hydrostatische Kolbenmaschine hat eine an einer Außenseite der Kolbenführungsbuchse angeordnete Kompensationsnut zur Kompensation einer temperaturbedingten Ausdehnung der Kolbenführungsbuchse. Insbesondere ist die Kompensationsnut umlaufend, kann aber auch von in Umfangsrichtung begrenzter Ausdehnung sein. Die Kompensationsnut ist zur Beaufschlagung mit einem Druckmittel über eine Druckmittelleitung mit einem Kolbenraum und einem Gehäuseinnenraum verbindbar. Erfindungsgemäß bewirkt das Druckmittel in der Kompensationsnut eine radial nach innen gerichtete Stützkraft.
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Das Druckmittel, das von dem Kolbenraum über einen Schmierspalt zwischen einem Kolben und der Kolbenführungsbuchse in den Gehäuseinnenraum abfließt, bewirkt eine radial nach außen gerichtete Last. Vorteilhafterweise ist die radial nach innen wirkende Stützkraft etwa auf die Last eingestellt. Somit ist die Materialbelastung der erfindungsgemäßen Kolbenführungsbuchse im Bereich der Kompensationsnut durch die beiderseitige Beaufschlagung mit Druckmittel und den sich daraus ergebenden Kräften stark verringert.
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Insbesondere ist die Stützkraft etwa auf die gesamte radial nach außen wirkende Belastung eingestellt, die sowohl die Last als auch die Radialkräfte des Kolbens enthält.
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Vorteilhafterweise ist der in der Kompensationsnut wirkende Druck und damit die Stützkraft über mindestens eine in einer Druckmittelleitung vorgesehenen Drossel, insbesondere mit veränderbarem Strömungswiderstand, einstellbar. Bei Verwendung einer Drossel mit veränderbarem Strömungswiderstand kann die Stützkraft auf einfache Weise an durch unterschiedliche Umgebungsbedingungen bedingte Schwankungen der Last angepasst werden, wie beispielsweise an temperaturbedingte Viskositätsunterschiede des Druckmittels.
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Vorzugsweise ist eine erste Drossel in einer ersten Druckmittelleitung zwischen dem Kolbenraum und der Kompensationsnut vorgesehen und eine zweite Drossel ist in einer zweiten Druckmittelleitung zwischen der Kompensationsnut und dem Gehäuseinnenraum vorgesehen. Insbesondere ist eine Relation der Stützkraft zur Last über eine Beziehung der Drossellängen zueinander eingestellt.
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Vorteilhafterweise entspricht ein erstes Verhältnis eines ersten Strömungswiderstands der ersten Drossel zu einem zweiten Strömungswiderstand der zweiten Drossel etwa einem zweiten Verhältnis eines ersten Abstands von der Kompensationsnut zum Kolbenraum zu einem zweiten Abstand von der Kompensationsnut zum Gehäuseinnenraum. Bei einem im Schmierspalt zwischen Kolben und Kolbenführungsbuchse angenommenen linearen Druckabfall über eine Schmierspaltlänge ist somit eine Druckbelastung auf die Kolbenführungsbuchse im Bereich der Kompensationsnut etwa ausgeglichen.
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Weiter kann die Druckmittelleitung als eine Spiralnut, insbesondere mit konstanter Steigung, an der Außenseite der Kolbenführungsbuchse ausgebildet sein. Insbesondere bei einer in Umfangsrichtung begrenzten Kompensationsnut ist die Druckmittelverbindung der Spiralnut mit der Kompensationsnut hergestellt. Die Spiralnut kann auf einfache Weise bevorzugt mit einem spanlosen Umformverfahren hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der Spiralnut ist, dass damit eine für eine geringe Leckage günstige große Drossellänge entsteht.
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Vorteilhafterweise ist eine erste Druckmittelleitung als eine erste Spiralnut zwischen dem Kolbenraum und der Kompensationsnut ausgebildet und eine zweite Druckmittelleitung ist als eine zweite Spiralnut zwischen der Kompensationsnut und dem Gehäuseinnenraum ausgebildet.
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Vorzugsweise entspricht ein drittes Verhältnis eines dritten Strömungswiderstands der ersten Spiralnut zu einem vierten Strömungswiderstand der zweiten Spiralnut dem zweiten Verhältnis, insbesondere bei konstanter Steigung der Spiralnut.
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Insbesondere ist die Spiralnut, die vorteilhafterweise eine konstante Steigung aufweist, derart von der Kompensationsnut geteilt, dass das dritte Verhältnis etwa dem zweiten Verhältnis entspricht.
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Vorteilhafterweise ist die Kompensationsnut in einem Bereich der Kolbenführungsbuchse mit erhöhter Belastung durch Radialkräfte des darin geführten Kolbens ausgebildet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine hydrostatische Kolbenmaschine eine erfindungsgemäße Kolbenführungsbuchse, die gemäß mindestens einem Aspekt der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet ist. Die hydrostatische Kolbenmaschine ist insbesondere eine Axialkolbenmaschine insbesondere in Schrägscheibenbauweise, die eine Zylindertrommel mit Aufnahmebohrungen für die Arbeitskolben hat. In jede Aufnahmebohrung ist eine Kolbenführungsbuchse eingesetzt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kolbenführungsbuchse in zwei Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kolbenführungsbuchse im eingebauten Zustand,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenführungsbuchse und
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3 einen Schnitt entlang der Linie A-A aus 2.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Kolbenführungsbuchse 1 im Schnitt entlang einer Mittelachse eines Kolbens 4. Die Kolbenführungsbuchse 1 ist in einem Zylinder 12 einer Zylindertrommel 8 angeordnet. Die Kolbenführungsbuchse 1 kann in den Zylinder 12 eingepresst sein. In der Kolbenführungsbuchse 1 ist der Kolben 4 mit einem Schmierspalt zwischen Kolbenführungsbuchse 1 und Kolben 4 axial verschiebbar gelagert. An einer Außenseite der Kolbenführungsbuchse 1 ist eine Kompensationsnut 2 zur Kompensation einer temperaturbedingten Ausdehnung der Kolbenführungsbuchse 1 vorgesehen. Die Kompensationsnut 2 ist in einem Bereich mit erhöhter Belastung durch Radialkräfte des darin geführten Kolbens 4 angeordnet.
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Eine erste Druckmittelleitung 14 verbindet einen Kolbenraum 6 mit der Kompensationsnut 2 und eine zweite Druckmittelleitung 16 verbindet die Kompensationsnut 2 mit einem Gehäuseinnenraum 10. Über diese Druckmittelleitungen 14, 16 wird die Kompensationsnut 2 mit Druckmittel aus dem Kolbenraum 6 beaufschlagt, das über die zweite Druckmittelleitung 16 in den Gehäuseinnenraum 10 abfließen kann. In der ersten Druckmittelleitung 14 zwischen dem Kolbenraum 6 und der Kompensationsnut 2 ist eine erste Drossel 18 vorgesehen und in der zweiten Druckmittelleitung 16 zwischen der Kompensationsnut 2 und dem Gehäuseinnenraum 10 ist eine zweite Drossel 20 vorgesehen.
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Im Betrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine ist die Kolbenführungsbuchse 1 an ihrer Innenseite sowohl durch eine Last durch im Schmierspalt zwischen Kolben und Kolbenführungsbuchse 1 fließendes Druckmittel als auch durch die Radialkräfte des Kolbens 4 belastet. Dadurch besteht bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl und niedrigen Drücken wie oben schon beschrieben die Gefahr zu erhöhter lokaler Erwärmung der Kolbenführungsbuchse 1, was zu einem Bruch der Kolbenführungsbuchse 1 führen kann.
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Durch die Beaufschlagung mit Druckmittel über die erste Druckmittelleitung 14 ergibt sich in der Kompensationsnut 2 eine Stützkraft, der der Last entgegenwirkt. Über die Drosseln 18, 20 ist die Stützkraft etwa auf die Last einstellbar und somit ist die Belastung der Kompensationsnut 2 in diesem Bereich deutlich herabgesetzt. Auf diese Weise ist die Gefahr des Versagens der Kolbenführungsbuchse 1 beim Betrieb der hydrostatischen Kolbenmaschine mit hoher Leistung verringert. Insbesondere ist die Stützkraft etwa auf die von der Innenseite der Kolbenführungsbuchse auf die Kompensationsnut wirkende gesamte Belastung einstellbar, die sowohl die Last als auch die Belastung durch die Radialkräfte des Kolbens enthält. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kommen Drosseln mit veränderbarem Strömungswiderstand zum Einsatz, um die Stützkraft auf einfache Weise an durch unterschiedliche Umgebungsbedingungen bedingte Schwankungen der Last anpassen zu können, wie beispielsweise an temperaturbedingte Viskositätsunterschiede des Druckmittels.
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Um die Stützkraft etwa auf die Last einstellen zu können, wird vorteilhafterweise ein erstes Verhältnis der Drosseln 18, 20 zueinander auf ein zweites Verhältnis der Abstände zwischen der Kompensationsnut 2 und dem Kolbenraum 6 und zwischen der Kompensationsnut 2 und dem Gehäuseinnenraum 10 eingestellt.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel ist angedeutet, dass sich die Druckmittelleitungen 14 und 16 in der zylindertrommel befinden können. Eine einfachere Lösung zeigen die 2 und 3.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kolbenführungsbuchse 2 eine als Spiralnut 14, 16 ausgebildete Druckmittelleitung an ihrer Außenseite auf. Die Spiralnut 14, 16 ist von der Kompensationsnut 2 unterbrochen und so in eine erste Spiralnut 22 und eine zweite Spiralnut 24 aufgeteilt. Die erste Spiralnut 22 liegt zwischen dem Kolbenraum 6 und der Kompensationsnut 2, die zweite Spiralnut 24 liegt zwischen der Kompensationsnut 2 und dem Gehäuseinnenraum 10. Bei der hier dargestellten umlaufenden Kompensationsnut 2 besteht eine Druckmittelverbindung zwischen der ersten Spiralnut 22 und der Kompensationsnut 2 und zwischen der zweiten Spiralnut 24 und der Kompensationsnut 2. Wenn gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel die Kompensationsnut 2 in ihrer Umfangsrichtung begrenzt ausgebildet ist, ist ebenso eine sichere Druckmittelverbindung zwischen ersten Spiralnut 22 und der Kompensationsnut 2 und zwischen der zweiten Spiralnut 24 und der Kompensationsnut 2 hergestellt.
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Wie in 3 gezeigt, weist die Spiralnut 14, 16 einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf, der in zusammengebautem Zustand mit einer Innenwand eines Zylinders 12 eine Druckmittelleitung bildet. Aufgrund ihrer Spiralform und einer vergleichsweise kleinen Querschnittsfläche wirkt die Spiralnut 14, 16 wie eine Druckmittelleitung mit integrierter Drossel. Die Drossellänge der Spiralnut 14, 16 ist günstig für eine geringe Leckagemenge.
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Die Steigung der Spiralnut 14, 16 ist vorteilhafterweise konstant und mit den Einzellängen der ersten Spiralnut 22 und der zweiten Spiralnut 24 ergibt sich auf diese Weise das gewünschte Längenverhältnis, mit dem eine Druckbelastung auf die Kolbenführungsbuchse 1 im Bereich der Kompensationsnut 2 etwa ausgeglichen ist.
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Ein dritter Strömungswiderstand der ersten Spiralnut 22 in Beziehung gesetzt zu einem vierten Strömungswiderstand der zweiten Spiralnut 24 ergibt ein drittes Verhältnis. Dieses dritte Verhältnis entspricht etwa dem zweiten Verhältnis der Abstände zwischen der Kompensationsnut 2 und dem Kolbenraum 6 und zwischen der Kompensationsnut 2 und dem Gehäuseinnenraum 10 und ergibt somit eine Stützkraft, die etwa auf die Last eingestellt ist. Bei einem im Schmierspalt zwischen Kolben und Kolbenführungsbuchse angenommenen linearen Druckabfall über eine Schmierspaltlänge ist somit eine Belastung der Kolbenführungsbuchse 1 im Bereich der Kompensationsnut 2 etwa ausgeglichen.
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Offenbart ist eine Kolbenführungsbuchse für eine hydrostatische Kolbenmaschine mit einer Kompensationsnut an der Außenseite der Kolbenführungsbuchse, die eine temperaturbedingte Ausdehnung der Kolbenführungsbuchse aufnimmt. Die Kompensationsnut wird gezielt mit einem Druck beaufschlagt, der etwa proportional zum auf der Innenseite der Kolbenführungsbuchse im Bereich der Kompensationsnut herrschenden Druck ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10157248 A1 [0003, 0005]
- DE 102012214833 A1 [0005]
