DE1033028B

DE1033028B - Hydrostatische Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE1033028B
Application number: DEW19569A
Authority: DE
Inventors: Georg Wiggermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-08-09
Filing date: 1956-08-09
Publication date: 1958-06-26

Description

Hydrostatische Kolbenmaschine Im Vergleich zu den üblichen Arbeits- und Antriebsmaschinen ist bei den heute bekannten hydrostatischen Getrieben die dauernd zulässige Drehzahl als verhältnismäßig niedrig zu bezeichnen. Dies trifft besonders auf solche hvdro-statische Getriebe zu, deren Zylinder samt Kolben umlaufen. Wenn dabei die Kolben achsparallel oder ähnlich geführt sind, so treten bei den Kolben Fliehkräfte auf, die mit dem Ouadrat der Drehzahl ansteigen und entsprechende Belastungen der Kolben- und Zylinderlaufbahnen zur Folge haben. Auch bei radial geführten Kolben tritt ähnlich der schädlichen Fliehkraft die ebenso nachteilig wirkende Coriolis-Kraft auf. Sowohl die Fliehkraft als auch die Coriolis-Kraft verursachen Reibung und Verschleiß an den Kolben und Zylinderlaufbahnen. Gleichzeitig ergeben die zur Hubbewegung notwendigen Kräfte bei hohen Drehzahlen zusätzliche Massenkräfte, die von den Antriebsgliedern zusätzlich aufgenommen werden müssen. und daher auch deren Verschleiß erhöhen. In vielen Anwendungsfällen ist es daher notwendig, zur Angleichung der Drehzahlcn ein zusätzliches Zwischengetriebe vorzusehen.
Im Sinne der bei hydrostatischen Getrieben gewünschten Steigerung der zulässigen Drehzahl befaßt sich die Erfindung mit der Aufgabe, eine der dieser Drehzahlsteigerung entgegenstehenden Schwierigkeiten, nämlich die genannten Beschleunigungskräfte, zu vermindern und damit die Reibung und den Verschleiß zwischen den aneinandergleitenden Flächen zu verringern.
In Kenntnis der gegebenen Lage war es bisher "choai üblich, die wegen der notwendigen hohen Festigkeit, verbunden mit hoher Oberflächenhärte an den Reibungsstellen, meist aus Stahl gefertigten Kolben nach Möglichkeit hohl auszubilden.
Neben dein dadurch erzielten Vorteil der Gewichtsverminderung ergaben sich aber dabei in hydraulischer Beziehung Nachteile, da das Arbeitsmittel auch den Kolbenhohlraum ausfüllt und somit eine Vergrößerung des schädlichen Zylinderraumes eintritt. Letztere setzt besonders bei hohen Förderdrücken den volumetrischen Wirkungsgrad der hydrostatischen Maschine in unerwünschter Weise herab.
Die durch die hohle Ausbildung des Kolbens auftretenden Nachteile werden nun. durch die Erfindung dadurch beseitigt, daß deren Kolben aus einem massiven Kern besteht, der von einem Mantel mit harter Oberfläche umschlossen wird, dessen spezifisches Gewicht größer als das des Kerns ist und wobei die Elastizität des Kerns kleiner als diejenige des flüssigen Arbeitsmittels ist. Erfindungsgemäß füllt der massive Kern den durch den Mantel gebildeten Raum völlig aus.
Kolbenausführungen, bei denen der Kolbenmantel einen Kern umschließt, dessen spezifisches Gewicht kleiner als das des Mantels ist, sind insbesondere bei Kolben für Brennkraftmaschinen bekanntgeworden. Die Ausbildung solcher Zweimetallkolben wird bei Brennkraftmaschinen jedoch von völlig anderen Betriebsbedingungen bestimmt als bei Kolben für hydrostatische Kolbenmaschinen. Bei eTsteren. wird neben einem geringen Gewicht vor allem ein gutes Wärmeleitv ermögen angestrebt. Ferner müssen zum Ausgleich der Wärmedehnung und wegen der hohen mechanischen Beanspruchungen Armierungen durch einen geeigneten Werkstoff vorgenommen werden, wobei dem Verschleiß durch Abrieb und Zun.derung am Mantel durch Verwendung von Kolbenringen als Gleit- und Dichtmittel teilweise begegnet wird. Da die bei hydrostatischen Kolbenmaschinen auftretenden Drücke um ein Vielfaches höher und die auf Kolben und Zylinder einwirkenden Temperaturen wesentlich niedriger sind als bei Brennkraftmaschinen, verlangen die zur Lösung vorliegender Erfindungsaufgabe gestellten Bedingungen auch andere Überlegungen, als sie bei Gestaltung von Kolben von Brennkraftmaschinen angestellt werden müssen. Daraus ergeben sich auch die nachfolgend beschriebenen: weiteren Merkmale des Erfindungsgegenstandes.
Der mit der Erfindung angestrebten Gewichtsverringerung des Kolbens würde es entsprechen, wenn der spezifisch schwerere Kolbenmantel möglichst dünnwandig ausgeführt würde. Diese Maßnahme würde aber die bei hohen Oldrücken notwendige enge Passung wegen der infolge des dünnen Mantels erhöhten radialen Elastizität dieses Mantels gefährden. Um die Schwächung des Kolbenmantels trotzdem möglichst weit treiben zu können, schlägt die Erfindung vor, daß zwischen. dem Mantel und dein massiven Kern des Kolbens ein sich über einen Teil der Kolbenlänge erstreckender, mit dem Druckraum in Verbindung stehender geringer Zwischenraum belassen ist. Dadurch ist erreicht, daß der Druck des Arbeitsmittels die Kolbenwand besonders in diesem Bereich auch radial nach außen belastet und dem den Kolben radial nach innen belastenden Spaltdruck entgegenwirken kann.
Außer dem Vorteil der hydraulischen Entlastung der Kolbenwand hat der der Arbeitsflüssigkeit zugängliche Spalt zwischen dem Kern und der Kolbeninnenwand den weiteren Vorteil, daß der beispielsweise aus Leichtmetall hergestellte Kern durch seine große Temperaturdehnung bei den vorkommenden hohen Temperaturen des flüssigen Arbeitsmittels die Passung des Kolbens in der Zylinderbohrung nicht beeinflussen kann..
In weiterer Verfolgung des Zieles, das Kolbengewicht zu verringern, schlägt die Erfindung vor, daß der Kern der Kolben aus einem Werkstoff von geringem spezifischem Gewicht und genügender Elastizität besteht und die Zylindertrommel aus einem Werkstoff von gleich. großem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten z. B. aus dem gleichen Werkstoff wie die Kolben hergestellt ist, wobei der Mantel der Kolben durch eine an sich bekannte Schicht aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, gebildet wird.
Eine derartige Ausbildung des Kolbens ergibt das geringstmögliche Gewicht und damit die günstigsten Verhältnisse bezüglich der bei hohen Drehzahlen auftretenden Flieh- und Massenkräfte. Die an Stelle eines Kolbenmantels aus Stahl vorgeschlagene harte Chromschicht ist bekanntlich geeignet, die Anfreßgefahr und den Verschleiß zu vermindern. Auch die bei einem Kolben der eben vorgeschlagenen Art infolge des großen Ausdehnungskoeffizienten der Leichtmetalle zu erwartende nachteilige Änderung des Passungsspieles in Abhängigkeit von der Arbeitstemperatur ist durch die genannten Maßnahmen nach der Erfindung beseitigt, und es ist damit erreicht, -da,ß das Durchmesserspiel der Kolben in den Zylindern bei allen Temperaturen konstant bleibt.
Die in der Erfindung vorgeschlagene Herstellung der Zylindertrommel aus einem in seinen Eigenschaften dem Kolbenwerkstoff gleichenden Werkstoff, also z. B. Leichtmetall, ergibt wegen der geringen Härte solcher Werkstoffe die gleichen Schwierigkeiten, wie ein eventueller Einbau der Kolben ohne den harten Chrommantel. Um auch dieses Hindernis zu beseitigen, sind nach der Erfindung die Gleitflächen zwischen Zylinderkörper und Steuerspiegel mit einer an sich bekannten Laufschicht aus hartem Metall (Hartchrom) versehen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens aus einem leichten Werkstoff erfordert bei allen Ausführungen eine sorgfältige Durchbildung der Gleitflächen, welche der Übertragung der Kolbenkräfte dienen. Davon ausgehend werden nach der Erfindung auch diese Gleitflächen mit einer an sich bekannten Schicht aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, versehen.
Die Anwendung eines ummantelten Kernes kann e@rfindungsgernäß zur weiteren Verminderung des schädlichen Totraumes dadurch benutzt werden, daß der Kern der Kolben auf der Ölseite des Kolbens eine aus diesem in axialer Richtung herausstehende Verdrängernase besitzt. welche weitere Toträume des Zylinders Zylinders der ausfüllt. Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 den Teillängsschnitt durch eine Axialkolbenmaschine an sich bekannter Bauart, Fig.2 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Teillängsschnitt, Fig. 3 den Schnitt A-B der Fig. 1.
In der dargestellten Axialkolbenmaschine 1 ist die im Gehäuse 2 drehbar gelagerte Schiefscheibe mit 3 bezeichnet. An dieser stützen sich die. Kolben 4 ab, welche in der Zylindertrommel 5 in Zylindern 6 axial geführt sind. Die im Gehäuse drehbar gelagerte Zylindertrommel steht mit der ebenfalls im Gehäuse gelagerten Welle 7 in Antriebsverbindung.
Für die Zu- und Abführung des Arbeitsmittels (Öl) dienen die den Zylindern zugeordneten Steueröffnungen 8 in der Zylindertrommel 5. Diese stehen in Verbindung mit den Steuerschlitzen 9, welche über Ölleitungen gespeist werden, die am Gehäuse angeschlossen sind.
Die Kolben 4 sind hohl ausgebildet und im Stahlkolbenmantel 10 ist ein Kern 11 eingesetzt, der aus einem spezifisch leichteren Material, z. B. ,,Jwchtm.etall, besteht. Dieser Kern wird durch geignete Mittel, z. B. durch einen Querstift 12, im Kolben fixiert. Zwischen dem Mantel 10 und dem Kern 11 ist ein Ölspalt 13 angeordnet, welcher ständig mit dem Zylinderraum 6 in Verbindung steht, so da.B sich in dem genannten Ölspalt 13 ein dem Betriebsdruck entsprechender Druck ausbilden kann.
Der Kern 11 ist auf der Ölseite des Kolbens mit einer Verdrängernase 14 versehen, die bei der unterem Totpunktlage des Kolbens in die Steueröffnung 8 so hineinragt, daß eine ausreichende Ölströmung noch möglich ist.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß hier der aus spezifisch leichtem Material, z. B. Leichtmetall, bestehende Kolben 4 an Stelle des Stahlmantels einen Überzug aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, besitzt. Diese Schicht ist in der Zeichnung durch eine verstärkte Linie dargestellt und mit 16 bezeichnet. Mit diesem Überzug ist der ganze Kolben versehen, also auch die die Kolbenkraft übertragenden Flächen 17, die an der Schiefscheibe 3 gleiten. Auch die Steuerfläche 18 der Zylindertrommel 5 ist mit einer Schicht aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, versehen, ferner die Zylinderfläche 19.
Die Ausführungsbeispiele nach der Erfindung beschränken sich nicht auf die in der Zeichnung gezeigten Einzelheiten. Sinngemäß kann die gezeigte Ausbildung des Kolbens z. B. auch bei solchen Kolben angewandt werden, die über Pleuelstangen an einem Triebflansch in bekannter Weise angelenkt sind.
Dabei sind die Pleuelstangen vorteilhafterweise in die zugehörigen Kerne eingeschraubt, wobei dann diese Schraubverbindung zugleich zur Fixierung des Kernes im Kolben dienen.
In diesem Falle werden bei Ausführungen, bei welchen die Kolben aus Leichtmetall bestehen und mit einer harten Laufschicht versehen sind, die Gleitflächen der Gelenkstellen im Triebflansch mit einem Überzug aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, versehen.
Die in vorstehender Beschreibung und in der Zeichnung geoffenbarten Mittel gemäß der Erfindung können auch bei Radialkolbenmaschinen vorteilhaft verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Hydrostatische Kolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, da.ß deren Kolben (4) aus einem massiven Kern ( 11, 4) besteht, der von einem Mantel (10, 16) mit harter Oberfläche umschlossen wird, dessen spezifisches Gewicht größer als das des Kerns ist und wobei die Elastizität des Kerns kleiner als diej emige des flüssigen Arbeitsmittels ist.
2. Hydrostatische Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da,ß der massive Kern (4) den durch den Mantel (16) gebildeten Raum völlig ausfüllt.
3. Hydrostatische Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mantel (10) und dem massiven Kern (11) des Kolbens ein sich über einen Teil der Kolbenlänge erstreckender, mit dem Druckraum (6) in Verbindung stehender geringer Zwischenraum (13) belassen ist.
4. Hydrostatische Kolbemnaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11, 4) der Kolben aus einem Werkstoff von geringem spezifischem Gewicht und genügender Elastizität besteht und die Zylindertrommel (5) aus einem Werkstoff von gleich großem Temperaturausdehnungskoeffizienten z. B. aus dem gleichen Werkstoff wie die Kolben hergestellt ist, wobei der Mantel (16) der Kolben durch eine an sich bekannte Schicht (16) aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, gebildet wird.
5. Hydrostatische Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Übertragung der Kolbenkraft dienenden Gleitflächen (17) an den Kolbenstirnseiten mit einer an sich bekannten Schicht aus hartem 1letall, z. B. Hartchrom, versehen sind.
6. Hydrostatische Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen zwischen Zylinderkörper und Steuerspiegel mit einer an sich bekannten Laufschicht aus hartem Metall, z. B. Hartchrom, versehen sind.
7. Hydrostatische Kolbenmaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11, 4) der Kolben auf der Olseite des Kolbens eine aus diesem in axialer Richtung heraussteh ende Verdrängernase (14) besitzt, welche weitere Toträume des Zylinders ausfüllt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 908 664, 695 708; österreichische Patentschrift Nr. 111519; französische Patentschrift Nr. 1045 745; »ATZ«, 1938, Heft 12, S. 325; »Werkstoffe und Korrosion«, 1950, Heft 4, S. 162; »Mechanical Engineering«, Bd. 63, Heft 7, S. 536.