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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer kalottenförmigen Ausnehmung in einer Triebwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Triebwelle mit dieser Ausnehmung gemäß Patentanspruch 7 und eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit der Triebwelle gemäß Patentanspruch 10.
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Eine hydrostatische Axialkolbenmaschine hat eine Triebwelle mit einem Triebflansch, das stirnseitig mit mehreren, auf einem Teilkreis angeordneten kalottenförmigen Ausnehmungen versehen ist. In diesen sind Kugelköpfe von Arbeitskolben und einem Führungskolben einer Zylindertrommel der Axialkolbenmaschine schwenkbar aufgenommen. Die Arbeitskolben tauchen dabei in Zylinderbohrungen der Zylindertrommel ein und sind darin axial verschieblich aufgenommen, um bei Druckwechsel und aufgrund der Schrägstellung der Triebwelle zur Zylindertrommel im Motorbetrieb Drehmoment auf die Triebwelle zu übertragen und alternativ im Pumpenbetrieb Druckmittel zur Hochdruckseite zu fördern.
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Die kalottenförmigen Ausnehmungen, genauso wie die Kugelköpfe, müssen zur Gewährleistung eines bestimmungsgemäßen Betriebes der Axialkolbenmaschine Spezifikationen bezüglich ihrer Formtoleranz, insbesondere der Rundheit, und ihres Verschleißverhaltens erfüllen.
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Zur Fertigung sind Verfahren bekannt, in denen die Ausnehmungen mittels Wirbeln spanend geformt und im Folgenden mittels einer Wärmebehandlung, insbesondere mittels Gasnitrocarburierung (GNC), mit einer harten Verschleißschicht versehen werden. Eine dementsprechende Gasnitrocarburierung wird für Zylinderbohrungen einer Zylindertrommel in der Druckschrift
DE 10 2013 226 090 A1 vorgeschlagen.
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Nachteilig an den bisherigen Verfahren ist, dass die bei der GNC entstandene Verschleißschicht relativ spröde, ungleichmäßig und dick ausfällt, sodass sie nachbearbeitet werden muss. Um die Toleranzen zu erfüllen und im Betrieb ein Ausbrechen von Abschnitten der Verschleißschicht zu vermeiden, muss diese daher herkömmlich in einem dritten Verfahrensschritt geschliffen und darauffolgend gefinished werden. So wird zum Einen die Mächtigkeit der Verschleißschicht derart reduziert, dass die geforderte Toleranz der Rundheit der Ausnehmung eingehalten ist, zum anderen wird die Anfälligkeit gegen Sprödbruch reduziert. Das Finishen für kugelförmige Außenflächen zeigt beispielsweise die Offenlegungsschrift
DE 2 102 461. Nachteilig daran ist, dass der Schritt des Finishens kosten- und zeitintensiv ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein weniger kosten- und/oder zeitintensives Verfahren zur Fertigung der kalottenförmigen Ausnehmung zu schaffen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Triebwelle mit einer derartigen Ausnehmung und eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer derartigen Triebwelle zu schaffen.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine Triebwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und die dritte durch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6, die der Triebwelle in den Patentansprüchen 8 und 9 beschrieben.
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Ein Verfahren zur Fertigung einer zumindest abschnittsweise kalottenförmigen Ausnehmung an einer Triebwelle hat Schritte „Fertigung der Ausnehmung durch Wirbeln“ und „Wärmebehandlung der Ausnehmung zur Ausbildung einer Verschleißschicht, insbesondere an einer Innenmantelfläche der Ausnehmung“. Insbesondere sind die Triebwelle zum Einsatz in einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine und die Ausnehmung zur Aufnahme eines Kugelkopfes eines Führungs- oder Arbeitskolbens der Axialkolbenmaschine vorgesehen. Erfindungsgemäß sind mit dem Schritt „Wärmebehandlung“ Spezifikationen der Ausnehmung zu Formtoleranz, insbesondere Rundheit, und Verschleißverhalten, erfüllt. Daher ist nach dem Schritt „Wärmebehandlung“ kein weiterer Schritt, weder Schleifen noch Finishen, nötig, um die geforderten Spezifikationen zu erfüllen. Gegenüber dem Stand der Technik führt dies zu einer Verkürzung der Prozesskette, einer Reduktion der Fertigungskosten und zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit in der Fertigung.
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In einem dazu alternativen Verfahren erfolgt im Anschluss an die Wärmebehandlung der Ausnehmung noch ein Schritt „Schleifen der Verschleißschicht“, wobei die Spezifikationen der Ausnehmung zu Formtoleranz, insbesondere Rundheit, und Verschleißverhalten, dann erfüllt sind. Somit entfällt zumindest der Schritt Finishen. Aufgrund des Entfallens des Finishens gegenüber dem Stand der Technik führt auch diese Verfahrensvariante zu einer Verkürzung der Prozesskette und zur Reduktion der Fertigungskosten und zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit in der Fertigung. Die Anmelderin behält sich vor, auf diese Verfahrensvariante einen unabhängigen Patentanspruch oder eine Patentanmeldung zu richten.
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Für beide Verfahren kann das Weglassen des Finishens am Schliffbild der Verschleißschicht erkannt werden, da dessen Oberfläche dann anstatt dem fürs Finishen typischen kreuzförmigen ein im Wesentlichen paralleles Schliffbild aufweist.
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Unterhalb der Verschleißschicht ist im vorgehaltenen Material der Ausnehmung ‚(nach dem Wirbeln) über den Schritt „Wärmebehandlung“ eine vergleichsweise dicke Grundschicht, insbesondere eine Diffusionsschicht, ausgebildet. Diese hat einen stützenden Effekt auf die darüber angeordnete Verschleißschicht.
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Darauf folgt in Richtung der Innenmantelfläche der Ausnehmung eine über den Schritt „Wärmebehandlung“ ausgebildete erste Schicht der Verschleißschicht, die insbesondere als Verbindungsschicht bezeichnet wird.
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Die Verbindungsschicht weist vorzugsweise eine Gesamtdicke von etwa 6–8 μm auf. Eine Toleranz dieser Verbindungsschicht liegt dabei etwa zwischen 5 und 11 μm.
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Dabei teilt sich die Verbindungsschicht in zwei Abschnitte auf. Ein erster ist innerhalb des für die Wärmebehandlung vorgehaltenen Materials der Ausnehmung ausgebildet und weist eine
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Dicke von etwa 3–5 μm auf. Ein zweiter, darüber angeordneter Abschnitt weist eine Dicke von etwa 3–5 μm auf. Letztgenannter ist über die „Wärmebehandlung“ auf das für die Ausnehmung vorgehaltene Material somit zusätzlich aufgebaut worden.
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Die Ausbildung der ersten Schicht während des Schrittes „Wärmebehandlung“ erfolgt in einer Weiterbildung sensorüberwacht. Ein Sensor erfasst dabei fortwährend die Gesamtdicke der zweiten Schicht und bricht bei Erreichen des Sollwertes die Wärmebehandlung ab.
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Zuoberst weist die Verschleißschicht in einer Weiterbildung eine zweite Schicht, insbesondere eine Oxidschicht auf, die eine Dicke von etwa 2 μm hat. Diese wird vorzugsweise mit einem Schritt „Bedampfung mit Wasserdampf“ im Anschluss an die „Wärmebehandlung“ aufgebracht.
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Eine Nitrierhärtetiefe der Verschleißschicht bei einer Härte von etwa 550 bHV10 ist in einer Weiterbildung größer 0,15mm, insbesondere etwa 0,17mm.
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Auch die folgenden Weiterbildungen gelten für beide genannten Verfahren. Vorzugsweise erfolgt vor dem Schritt „Wirbeln“ ein Schritt „Spanende Vorfertigung der Ausnehmung durch Bohren und/oder Fräsen oder dergleichen“.
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Die Schritte „Spanende Vorfertigung“ und „Wirbeln“ erfolgen vorzugsweise auf der gleichen Werkzeugmaschine, was Umrüstaufwände klein hält.
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Diese Maschine weist zur Erhöhung ihrer Fertigungsgenauigkeit vorzugsweise eine Achs-Synchronisation, insbesondere eine 5-Achs-Synchronisation, auf. Dadurch sind Geometriefehler der Maschine, insbesondere Achsfehler, kompensierbar.
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In einer Weiterbildung weist die Maschine eine Temperaturkompensation auf, um ihre auf Temperaturänderung basierenden Geometriefehler zu kompensieren. Auch dies führt zu einer verbesserten und reproduzierbareren Qualität der Ausnehmung.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt vor und/oder nach der Wärmebehandlung ein Schritt „Optisches und/oder taktiles Vermessen der Ausnehmung“.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgen zur weiteren Erhöhung der Qualität der Ausnehmung Schritte „Auswertung der optischen und/oder taktilen Messergebnisse einer oder mehrerer Ausnehmungen“, insbesondere mit Bezug zu Maßhaltigkeit und Rundheit, und „Korrektur einer Maschineneinstellung in Abhängigkeit der Auswertung“.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens sind zur Erfüllung der Spezifikationen zum Verschleißverhalten insbesondere Spezifikationen der Verschleißschicht bezüglich ihrer Dicke, ihrer Oberflächenhärte und ihrer Duktilität erfüllt, die einen wesentlichen Einfluss auf die Standfestigkeit der Verschleißschicht haben. Im ersten Verfahren sind diese Spezifikationen mit dem Schritt Wärmebehandlung, im zweiten mit dem Schritt Schleifen erfüllt.
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Die genannten Spezifikationen sind dabei insbesondere an einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Axialkolbenmaschine, insbesondere an deren Betriebsparametern Drehzahl und Arbeitsdruck, orientiert und dienen somit dem Schutz vor Beschädigung oder Ausfall der Maschine.
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In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Fertigung der Ausnehmung durch Wirbeln“ unter Luftkühlung. Auf diese Weise kann zum einen eine Standzeit des Wirbelwerkzeugs erhöht werden und zum anderen eine Standardabweichung der Form, insbesondere der Rundheit, verringert werden.
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In einer Weiterbildung erfolgt der Schritt „Wärmebehandlung“ in mehreren Stufen. Jede der Stufen weist dabei eine unterschiedliche Temperatur und Zeitdauer auf.
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Dabei sind beispielsweise zwei- oder dreistufige Verfahren denkbar.
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In einer Weiterbildung weist eine erste der Stufen eine niedrigere Temperatur und längere Zeitdauer auf, als die darauffolgende zweite der Stufen. Ab der zweiten Stufe wird vorzugsweise bei der dann hohen Temperatur und kurzen Zeitdauer eine verglichen mit der ersten Stufe hohe Menge an Kohlenstoff zugegeben. Beim dreistufigen Verfahren weist vorzugsweise die zweite der Stufen eine niedrigere Temperatur und längere Zeitdauer aufweist als die darauf folgende dritte der Stufen.
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Der Schritt „Wärmebehandlung“ weist vorzugsweise ein Gasnitrocarburieren (GNC) auf. Eine spezifizierte Oberflächenhärte der Verschleißschicht ist vorzugsweise größer etwa 1000 HV10.
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In einer Weiterbildung erfolgt nach dem Schritt „Wärmebehandlung“ oder nach dem Schritt „Schleifen“ oder noch später ein Schritt „Reinigen der Ausnehmung“.
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Eine Triebwelle für eine insbesondere in Schrägachsenbauweise ausgeführte, hydrostatische Axialkolbenmaschine weist stirnseitig wenigstens eine mit einem Verfahren gemäß der vorangegangenen Beschreibung gefertigte Ausnehmung auf.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung dabei an einem Flansch der Triebwelle stirnseitig angeordnet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Triebwelle eine Vielzahl auf einem Teilkreis angeordneter, derartiger Ausnehmungen auf. Der Teilkreis erstreckt sich dabei konzentrisch zur Drehachse der Triebwelle.
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Eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, insbesondere in Schrägachsenbauweise hat eine derartige Triebwelle. Dabei ist vorzugsweise in der einen oder in den mehreren Ausnehmungen jeweils ein Kugelkopf eines Führungs- oder Arbeitskolbens einer Zylindertrommel der Axialkolbenmaschine aufgenommen. Die Arbeitskolben und/oder der Führungskolben sind in dafür in der Zylindertrommel vorgesehenen Zylinderbohrungen axial verschieblich aufgenommen. Im Pumpenbetrieb der Axialkolbenmaschine kann so über die in den Ausnehmungen aufgenommenen Kugelköpfe Drehmoment von der Triebwelle auf die Zylindertrommel übertragen werden. Die Anstellung der Drehachsen der Zylindertrommeln zur Triebwelle bewirkt dann ein alternierendes Ein- und Ausfahren der Arbeitskolben, wodurch Druckmittel von der Niederdruck- zur Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine gepumpt wird. Umgekehrt ermöglicht die Kopplung der Ausnehmungen mit den Kugelköpfen im Motorbetrieb die Übertragung eines Drehmomentes von den Kugelköpfen auf die Triebwelle.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine und eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise und
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2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gemäß 1 hat eine in Schrägachsenbauweise ausgestaltete Axialkolbenmaschine 1 ein zweiteiliges Gehäuse 2, in dem eine Triebwelle 4 über zwei Kegelrollenlager 6 und 8, eine Drehachse 10 drehbar, gelagert ist. Das Ausführungsbeispiel der Axialkolbenmaschine 1 gemäß 1 ist als Konstantmaschine, das heißt mit konstantem Verdrängungsvolumen, ausgestaltet und kann alternativ mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet sein.
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Die Triebwelle 4 ist über die Lager 6, 8 in einem topfförmig ausgeformten ersten Gehäuseteil 12 aufgenommen. An dessen Öffnung 14, über die die Triebwelle 4 montierbar ist, ist ein zum ersten Gehäuseteil 12 abgewinkeltes, zweites Gehäuseteil 16 angesetzt, in dem eine Zylindertrommel 18 um eine Drehachse 20 drehbar gelagert ist. Die Zylindertrommel 18 weist dabei auf einem konzentrisch zur Drehachse 20 angeordneten Teilkreis mehrere Zylinderbohrungen 22 auf, in denen jeweils ein Arbeitskolben 24 axial verschiebbar angeordnet ist. Koaxial zur Drehachse 20 weist die Zylindertrommel 18 eine zentrale Zylinderbohrung 26 auf, in der ein Führungs- oder Zentrierkolben 28 der Zylindertrommel 18 gleitend aufgenommen ist.
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Der Führungskolben 28 und die Arbeitskolben 24 weisen jeweils einen Kugelkopf 30 auf, der in einer jeweiligen kalottenförmigen Ausnehmung 32 eines nahe der Öffnung 14 angeordneten, stirnseitigen Triebwellenflansches 34 der Triebwelle 4 ausgebildet ist. Über die in den Ausnehmungen 32 aufgenommenen Kugelköpfe 30 und die Arbeitskolben 24 ist die drehfeste Verbindung der Triebwelle 4 mit der Zylindertrommel 18 realisiert.
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Das zweite Gehäuseteil 16 weist einen Niederdruck- und einen Hochdruckanschluss (beide nicht dargestellt) auf, über die von den Arbeitskolben 24 und ihren Zylinderbohrungen 22 begrenzte hydrostatische Arbeitsräume 36 jeweils alternierend mit Niederdruck und Hochdruck fluidisch verbindbar sind. Die Umsteuerung der fluidischen Verbindung erfolgt dabei über eine im zweiten Gehäuseteil 16 ortsfest angeordnete Steuerscheibe 38 und darin ausgebildete Drucknieren (nicht dargestellt).
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Jeder Kugelkopf 30 ist in der Ausnehmung 32 hydrostatisch entlastet. Dies wird dadurch erreicht, dass der jeweilige Kolben 24, 28 eine zentrische Durchgangsausnehmung 40 aufweist (nur beim Zentrierkolben 28 dargestellt), über die ein jeweils zwischen dem Kugelkopf 30 und der Ausnehmung 32 ausgebildeter Spalt aus einem dem jeweiligen Kolben 24, 28 zugeordneten Innenraum der Zylindertrommel 18 heraus – für die Arbeitskolben 24 sind dies die Arbeitsräume 36 – mit hydrostatischem Druckmittel versorgt wird.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Axialkolbenmaschine 1, der beispielsweise einen Arbeitsdruck bis 500 bar und eine Drehzahl der Triebwelle 4 bis 5000 1/min aufweist, ist die Reibpaarung des Kugelkopfes 30 mit der kalottenförmigen Ausnehmung 32 hohen Belastungen ausgesetzt. Es bedarf daher einer Einhaltung enger Toleranzen der Form des Kugelkopfes 30 und der Ausnehmung 32, insbesondere bezüglich ihrer jeweiligen Rundheit, und einer entsprechend harten und dennoch duktilen Oberfläche der beiden Reibpartner 30, 32.
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Gemäß 1 weisen die Kugelköpfe 30 jeweils eine, sich bezüglich einer Kolbenlängsachse radial umfänglich erstreckende Ringschulter 31 auf, über die das im Spalt zwischen dem Kugelkopf 30 und der Ausnehmung 32 angeordnete, zur hydrostatischen Entlastung dieser Reibpaarung vorgesehene Druckmittel, effektiv im Spalt zurückgehalten ist.
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Dieser Rückhalt ist im gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch noch weiter verbessert, dass der jeweilige Kugelkopf 30 zudem über seinen Äquator hinausgehend von der Innenmantelfläche der jeweiligen Ausnehmungen 32 hintergriffen ist.
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Die genannten Spezifikationen werden betreffend der Ausnehmungen 32 über das in 2 dargestellte erfindungsgemäße Fertigungsverfahren 42 erreicht. Gemäß 2 weist dieses einen Schritt Wirbeln 44 der Ausnehmungen 32 am Triebwellenflansch 34 auf.
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Die Genauigkeit des Wirbelns erfolgt dabei, insbesondere aufgrund der bereits genannten Aspekte „Spanende Vorfertigung und Wirbeln auf der gleichen Werkzeugmaschine“ und „5-Achs-synchroniserte Maschine mit Temperaturkompensation“ zu einer Abweichung der Formtoleranz, insbesondere Rundheit, von kleiner gleich 0,01 mm.
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Mit dieser gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Rundheit nach Wirbeln erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt 46 eine Wärmebehandlung der gewirbelten Ausnehmung 32 mittels 3-stufiger Gasnitrocarburierung (GNC).
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Die dadurch gebildeten Schichten sind: Zuunterst, eine vergleichsweise dicke Grundschicht, die auch Diffusionsschicht genannt wird. Die eigentliche Verschleißschicht weist darauf folgend in Richtung der Innenmantelfläche der Ausnehmung 32 eine erste Schicht auf, die auch Verbindungsschicht genannt wird. Letztgenannte hat im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel aufgrund der optimierten Wärmebehandlung eine Mächtigkeit von etwa 6 bis etwa 8μm.
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Verglichen mit aus herkömmlichen Fertigungsverfahren mit Wirbeln und Wärmebehandlung bekannten Dicken von etwa 4 bis etwa 15μm ist sie somit gleichmäßiger und durchschnittlich dünner ausgebildet. Hinzu kommen eine höhere Duktilität und damit eine geringere Sprödbruchneigung.
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Insbesondere die zuletzt genannten drei Eigenschaften der Verbindungsschicht der erfindungsgemäßen Verschleißschicht machen das genannte Finishen zum Erreichen der Spezifikationen der Verschleißschicht überflüssig.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sind somit bereits nach dem Schritt „Wärmebehandlung“ die genannten Spezifikationen erreicht, sodass zumindest das bereits erwähnte Finishen überflüssig ist.
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Ergänzend, zur Erhöhung der Qualität der Verschleißschicht, kann nach dem Schritt „Wärmebehandlung“ ein Schritt „Schleifen der Verschleißschicht“ erfolgen (nicht dargestellt).
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Abschließend erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Schritt „Reinigen 48 der Verschleißschicht“.
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Das Verfahren wird dann für jede weitere notwendige Ausnehmung 32 am Triebflansch 34 wiederholt.
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Offenbart ist ein Verfahren zur Fertigung einer zumindest abschnittsweise kalottenförmigen Ausnehmung an einer Triebwelle für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit Schritten „Wirbeln der Ausnehmung“ und dann „Wärmebehandlung der Ausnehmung zur Ausbildung einer Verschleißschicht“. Dabei sind Parameter der beiden Verfahrensschritte derart optimiert, dass bereits nach der Wärmebehandlung – insbesondere ohne ein zusätzliches Schleifen und Finishen – Spezifikationen der Ausnehmung und der Verschleißschicht zu Formtoleranz und Verschleißverhalten erfüllt sind.
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Offenbart sind weiterhin eine Triebwelle für die hydrostatische Axialkolbenmaschine mit derart gefertigten Ausnehmungen und eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit dieser Triebwelle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Axialkolbenmaschine
- 2
- Gehäuse
- 4
- Triebwelle
- 6, 8
- Kegelrollenlager
- 10
- Drehachse
- 12
- erstes Gehäuseteil
- 14
- Öffnung
- 16
- zweites Gehäuseteil
- 18
- Zylindertrommel
- 20
- Drehachse
- 22
- Zylinderbohrung
- 24
- Arbeitskolben
- 26
- Zylinderbohrung
- 28
- Zentrierkolben
- 30
- Kugelkopf
- 31
- Ringschulter
- 32
- Ausnehmung
- 34
- Triebflansch
- 36
- hydrostatischer Arbeitsraum
- 38
- Steuerscheibe
- 40
- Druckmittelkanal
- 42
- Verfahren
- 44
- Wirbeln
- 46
- Wärmebehandeln
- 48
- Reinigen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013226090 A1 [0004]
- DE 2102461 A [0005]
