DE102017205842A1

DE102017205842A1 - Zylindertrommel mit Verdrängerkolben und Axialkolbenmaschine mit der Zylindertrommel

Info

Publication number: DE102017205842A1
Application number: DE102017205842.0A
Authority: DE
Inventors: David Breuer; Manuel Sell; Timo Nafz; Gunter Sinz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-10-11

Abstract

Offenbart ist eine Zylindertrommel für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, in der Zylinder ausgebildet sind, in denen jeweils ein Verdrängerkolben entlang einer Hubrichtung verschieblich aufgenommen ist. Dabei weisen zumindest Abschnitte von Mantelflächen der Verdrängerkolben und der Zylinder, die miteinander in gleitenden Kontakt bringbar oder gebracht sind, eine Verschleißschutzschicht auf. Die Verschleißschutzschicht der Zylinder ist im Salzbad durch Nitrocarburieren und die Verschleißschutzschicht der Verdrängerkolben ist im Gasbad zumindest durch Nitrieren oder Nitrocarburieren hergestellt sindAuch offenbart ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer derartigen Zylindertrommel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylindertrommel mit Verdrängerkolben, insbesondere für eine Axialkolbenmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Axialkolbenmaschine gemäß Patentanspruch 5.
Bei Axialkolbenmaschinen dreht sich eine Zylindertrommel relativ zu einer ruhenden scheibenförmige Steuer- beziehungsweise Verteilerplatte. In der Zylindertrommel sind Zylinder(bohrungen) ausgebildet, in denen Kolben eine Hubbewegung entlang einer Hubrichtung ausführen, die axial zur Drehachse der Zylindertrommel gerichtet ist. Bei der Schrägachsbauweise ist eine Triebwelle, an die die Kolben gekoppelt sind, schräg zu dieser Hubrichtung angestellt. Bei Schrägscheibenbauweise ist eine Schrägscheibe, an die die Kolben gekoppelt sind, schräg zu dieser Hubrichtung angestellt. Über die ruhende Verteilerplatte werden die Zylinder abwechselnd mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckseite der Maschine verbunden. Dabei bilden zum Beispiel die Zylindertrommel und die darin geführten Kolben ein Gleitpaar.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zum Schutz des Gleitpaares gegen Verschleiß eine Verschleißschicht durch Wärmebehandlung unter Zugabe von Einsatzstoffen durchzuführen. Dies kann beispielsweise ein Nitrieren oder ein Carburieren sein. Eine kombinierte Methode zur Herstellung einer Verschleißschicht ist die Nitrocarburierung. Die genannten Methoden können in gasförmiger oder in flüssiger, salziger Phase erfolgen.
Der Stand der Technik kennt die Kombination gasnitrierter Stahlkolben mit Gasnitrocarburiertem Zylinderguss. Für Axialkolbenmaschinen mit hoher Leistungsdichte, also hohen Arbeitsstücken, erweisen sich diese Paarungen jedoch als nur mäßig belastbar. Hochbelastbare Paarungen kennt der Stand der Technik mit gasnitrierten Stahlkolben und Zylinderbohrungen in der Zylindertrommel, die mit einer Messingbuchse ausgekleidet sind. Allerdings bedarf es hierdurch eines voluminöseren Bauraums für die Zylindertrommel und die Kosten der Fertigung sind relativ hoch. Auch bekannt ist die Kombination von gasnitrierten Stahlkolben mit nachoxidierter Oberfläche zur Erhöhung des Korrosionsschutzes in Kombination mit Gas-nitrocarburierten Zylinderbohrungen der aus Stahl gefertigten Zylindertrommel.
Die Druckschrift DE 10 2013 226 091 A1 zeigt beispielsweise eine gas- oder salzbadnitrocarburierte Zylindertrommel.
Aus der Druckschrift DE 2013 2005 375 A1 sind Verdrängerkolben bekannt, die aus Stahl gefertigt sind und nitrocarburiert und optional nachoxidiert sind. Gleiches gilt für die Druckschrift DE 10 2012 010 176 A1 .
Die genannten Kombinationen der wärmebehandelten Zylindertrommeln und Verdrängerkolben weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie zumindest einem der Kriterien hohe Belastbarkeit, preiswerter Kosten, minimaler Bauraum nicht genügen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Zylindertrommel mit Verdrängerkolben zu schaffen, die eine hohe Belastbarkeit, niedrige Kosten und einen minimalen Bauraum aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Axialkolbenmaschine mit der Zylindertrommel zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch eine Zylindertrommel mit Verdrängerkolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
Weiterführende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Zylindertrommel, insbesondere eine, die für eine Axialkolbenmaschine geeignet ist, weist Zylinder, insbesondere Zylinderbohrungen auf. In den Zylindern oder Zylinderbohrungen ist dabei jeweils ein Verdrängerkolben entlang einer Hubrichtung verschieblich aufgenommen. Um den Verschleiß der Gleitpaare, die jeweils aus Zylinder und Verdrängerkolben gebildet sind, gering zu halten, haben zumindest jene Mantelflächenabschnitte der Verdrängerkolben und Zylinder, die miteinander in gleitenden Kontakt bringbar, insbesondere gebracht sind, jeweils eine Verschleißschutzschicht. Erfindungsgemäß sind dabei die Verschleißschutzschichten der Zylinder im Salzbad zumindest durch Nitrieren und die Verschleißschutzschichten der Verdrängerkolben im Gasbad, das heißt in einer Gasatmosphäre, durch zumindest Nitrieren oder Nitrocarburieren hergestellt.
Eine solche Kombination aus Zylindern und Verdrängerkolben mit derart hergestellter Verschleißschicht ist hoch belastbar. Es sind hohe Drücke realisierbar. Gleichwohl ist die so hergestellte Zylindertrommel kostengünstig herstellbar und kann bei hoher Festigkeit vergleichsweise schmal bauen, da keine weiteren Bauteile wie beispielsweise Messinghülsen zur Verstärkung der Zylinder notwendig sind.
Aufgrund des Nitrierens weist die jeweilige Verschleißschutzschicht Stickstoff, insbesondere in Form von Nitrid, auf.
Vorzugsweise weisen die Mantelflächen nicht nur abschnittsweise, sondern vollständig die Verschleißschutzschicht auf. Auch Mischformen sind möglich, sodass beispielsweise die vollständigen Mantelflächen der Zylinder die jeweilige Verschleißschutzschicht aufweisen, wohingegen die Verschleißschutzschicht der Verdrängerkolben diese nur abschnittsweise überzieht, oder umgekehrt.
In einer Weiterbildung ist die Verschleißschutzschicht der Zylinder im Salzbad nicht nur durch Nitrieren, sondern durch Nitrocarburieren hergestellt. Die resultierende Verschleißschutzschicht weist somit neben Stickstoff, diesen insbesondere auch in Form von Nitrid, auch Kohlenstoff, diesen insbesondere auch in Form von Carbid, auf. Diese Weiterbildung erweist sich als besonders hoch belastbar. Eine mit einer solchen Zylindertrommel ausgerüstete Axialkolbenmaschine hat eine hohe Leistungsdichte.
Vorzugsweise ist die Verschleißschutzschicht der Zylinder durch Nitrocarburieren im Salzbad hergestellt.
Um einen Korrosionsschutz der Verdrängerkolben, insbesondere von deren Verschleißschutzschichten, zu verbessern, sind diese im Anschluss an das Nitrieren nachoxidiert. Die Verschleißschutzschicht eines Verdrängerkolbens weist somit in dieser Weiterbildung Oxid auf.
In Mündungsbereiche der Zylinder, in denen die Verdrängerkolben aus den Zylindern austreten, treten hohe mechanische Belastungen, insbesondere Biegebelastungen, Reibbelastungen und Kerbwirkungen auf. In einer Weiterbildung sind daher die Verschleißschutzschichten der Mantelflächen der Zylinder zumindest in diesen Mündungsbereichen ausgebildet.
Eine hydrostatische Axialkolbenmaschine hat eine Zylindertrommel, die gemäß einem der Aspekte der vorhergehenden Beschreibung ausgestaltet ist. Die Zylindertrommel ist dabei mit einer Triebwelle der Axialkolbenmaschine drehfest verbunden. Die Axialkolbenmaschine kann als Konstantmaschine, das heißt mit konstantem Verdrängungsvolumen, oder mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet sein.
In einer Weiterbildung ist die Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise ausgeführt, wobei die Verdrängerkolben an einer zu einer Drehebene der Zylindertrommel angestellten oder anstellbaren Schrägscheibe gleitend abgestützt sind.
In einer alternativen Weiterbildung ist die Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise ausgestaltet, wobei die Zylindertrommel über die Verdrängerkolben mit einer zu einer Drehachse der Triebwelle angestellten oder anstellbaren Welle drehfest verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand der Figurenbezeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
1 zeigt in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Axialkolbenmaschine 1 hat ein Gehäuse 2, das einen Gehäusetopf 4 und einen diesen verschließenden Gehäusedeckel 6 aufweist. Der Gehäusetopf 4 hat einen Topfboden 8 und eine daraus randseitig entspringende Topfwandung 10. Über den Gehäuseboden 8, die Topfwandung 10 und den Gehäusedeckel 6 ist ein Innenraum 12 der Axialkolbenmaschine begrenzt.
Im Gehäuse 2 ist eine Triebwelle 14 drehbar gelagert aufgenommen. Einerseits ist die Triebwelle 14 über ein Wälzlager 16 am Topfboden 8 gelagert und andererseits ist sie über ein Wälzlager 18 am Gehäusedeckel 6 gelagert. Etwa mittig zwischen den Lagerstellen weist die Triebwelle 14 eine Außenverzahnung 20 auf, die in eine entsprechende Innenverzahnung einer Zylindertrommel 22 eingreift, wodurch letztgenannte drehfest mit der Triebwelle 14 verbunden ist.
In der Zylindertrommel 22 sind auf einem sich konzentrisch um eine Drehachse 24 der Triebwelle 14 erstreckenden Teilkreis Zylinderbohrungen 26 ausgebildet. In die so ausgebildeten Zylinder 26 sind Verdrängerkolben 28, im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Drehachse 24, axial verschieblich angeordnet. Von Stirnflächen der Verdrängerkolben 28 und Mantelflächen (Innenmantelflächen) 30 der Zylinder 26 ist jeweils ein hydrostatischer Arbeitsraum 32 begrenzt. Zum Gehäusedeckel 6 gewandt weisen die Arbeitsräume 32 Mündungen 34 auf. Zwischen einer die Mündungen 34 aufweisenden Stirnseite der Zylindertrommel 22 und einer gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäusedeckels 6 ist eine Steuerscheibe 36 angeordnet. Diese hat sich nierenförmig entlang dem Teilkreis erstreckende Durchgangsausnehmungen 38, 40. Die Steuerscheibe 36 ist gehäusefest mit dem Gehäusedeckel 6 verbunden, läuft also nicht mit der Zylindertrommel 22 um. Mit der Durchgangsausnehmung 38 ist dabei ein Hochdruckanschluss 42 des Gehäusedeckels 6 und mit der Durchgangsausnehmung 40 ein Niederdruckanschluss 44 des Gehäusedeckels 6 fluidisch verbunden.
Die Verdrängerkolben 28 ragen mit Kolbenköpfen 46 abschnittsweise aus den Zylinderbohrungen 26 heraus. Die Kolbenköpfe 46 sind in Kolbenschuhen 48 schwenkbar aufgenommen. Letztgenannte sind gleitend an einer gehäuseseitig angeordneten Schrägscheibe 50 abgestützt. Die Schrägscheibe 50 ist dabei von einer Gleitfläche einer Schwenkwiege 52 gebildet. Diese ist über Gleitlager 54 am Topfboden 8 verschwenkbar gelagert. Über diese Verschwenkung kann eine Anstellung der Schrägscheibe 50 (Gleitfläche) gegen eine Drehebene der Zylindertrommel 22 erfolgen, so dass die Verdrängerkolben 28 einen Arbeitshub ausführen, sofern sich die Triebwelle 14 dreht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind Außenmantelflächen 29 der Verdrängerkolben 28 Gas-nitriert hergestellt, Innenmantelflächen 30 der Zylinder 26 sind Salzbad-nitrocarburiert hergestellt. Die Außenmantelflächen 29 sind zudem nachoxidiert. Von außen nach innen weisen die Verdrängerkolben 28 durch diese Wärmebehandlung in genannter Reihenfolge eine Oxidschicht OS, eine nitrierte Verbindungsschicht VS und eine weiter innen liegende Diffusionsschicht DS auf. Die Zylinder 26 weisen demgegenüber keine Oxidschicht, sondern nur die äußerliche Verbindungsschicht VS und die weiter innen liegende Diffusionsschicht DS auf. Die Nitrocarburierung kann einstufig unter gleichzeitiger Gabe von Stickstoff- und Kohlenstoffspendern oder mehrstufig durch sequentielle Gabe der Stickstoff- und Kohlenstoffspender erfolgen.
Offenbart ist eine Zylindertrommel mit Zylinderbohrungen, in denen Verdrängerkolben axial verschieblich geführt sind. Zumindest diejenigen Mantelflächenabschnitte der Zylinder und Verdrängerkolben die in Reibkontakt bringbar sind, weisen dabei eine Verschleißschicht auf, die mittels einer Wärmebehandlung, zumindest unter Gabe von Stickstoffspendern hergestellt ist. Dabei sind die Verschleißschichten der Zylinder in einem Salzbad und die der Verdrängerkolben in einem Gasbad / einer Gasatmosphäre hergestellt. Offenbart ist auch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer derartigen Zylindertrommel.
Bezugszeichenliste

1: Axialkolbenmaschine
2: Gehäuse
4: Gehäusetopf
6: Gehäusedeckel
8: Topfboden
10: Topfwandung
12: Innenraum
14: Triebwelle
16, 18: Wälzlager
20: Verzahnung
22: Zylindertrommel
24: Drehachse
26: Zylinderbohrung
28: Verdrängerkolben
29: Mantelfläche Zylinder
30: Mantelfläche Zylinder
32: hydrostatischer Arbeitsraum
34: Durchgangsausnehmung
36: Steuerscheibe
38: Hochdruckdurchgangsausnehmung
40: Niederdruckdurchgangsausnehmung
42: Hochdruckanschluss
44: Niederdruckanschluss
46: Kolbenkopf
48: Gleitschuh
50: Schrägscheibe
52: Schwenkwiege
54: Gleitlager
DS: Diffusionsschicht
VS: Verbindungsschicht
OS: Oxidschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013226091 A1 [0005]
DE 20132005375 A1 [0006]
DE 102012010176 A1 [0006]

Claims

Zylindertrommel für eine hydrostatische Axialkolbenmaschine (1), in der Zylinder (26) ausgebildet sind, in denen jeweils ein Verdrängerkolben (28) entlang einer Hubrichtung (24) verschieblich aufgenommen ist, wobei zumindest Abschnitte von Mantelflächen (29, 30) der Verdrängerkolben (28) und der Zylinder (26), die miteinander in gleitenden Kontakt bringbar oder gebracht sind, eine Verschleißschutzschicht (DS, VS, OS) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (DS, VS) der Zylinder (26) im Salzbad und die Verschleißschutzschichten (DS, VS, OS) der Verdrängerkolben (28) im Gasbad zumindest durch Nitrieren oder Nitrocarburieren hergestellt sind.
Zylindertrommel nach Anspruch 1, wobei die Verschleißschutzschicht (DS, VS) der Zylinder (26) im Salzbad durch Carburieren, insbesondere durch Salzbadnitrocarburieren, hergestellt sind und Carbid aufweisen.
Zylindertrommel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verschleißschutzschicht (DS, VS, OS) der Verdrängerkolben (28) oxidiert, insbesondere nachoxidiert, sind.
Zylindertrommel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abschnitte der Mantelflächen (30) der Zylinder (26) in Mündungsbereichen der Zylinder (26) ausgebildet sind, in denen die Verdrängerkolben (28) aus den Zylindern (26) austreten.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einer Zylindertrommel (22), die gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche ausgestaltet ist, und mit einer Triebwelle (14), mit der die Zylindertrommel (22) drehfest verbunden ist.
Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 5, wobei die Verdrängerkolben (28) an einer zu einer Drehebene der Zylindertrommel (22) angestellten oder anstellbaren Schrägscheibe (50) gleitend abgestützt sind, oder wobei die Zylindertrommel über die Verdrängerkolben mit einer zu einer Drehachse der Triebwelle angestellten oder anstellbaren Welle drehfest verbunden ist.