DE19924834A1 - Hydrostatische Axialkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem rotierenden Zylinderkörper, der auf einem Teilkreis mehrere, vorzugsweise achsparallel angeordnete Bohrungen zur Aufnahme von Arbeitskolben besitzt und diese Bohrungen über Steueröffnungen in einer Steuerfläche münden, welche mit der analogen Steuerfläche eines nichtrotierenden Steuerspiegels zum Zwecke der Zu- und Abführung des hydraulischen Mediums kooperiert und mit diesem ein Gleilager bildet. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird hierbei der Zylinderkörper (1) mit einer vorzugsweise sphärisch konkaven Steuerfläche (2) ausgebildet, welche mit einem aus Lagerwerkstoff bestehenden Dünnschichtlager in Form einer fixierten Gleitbeschichtung (3) versehen ist. Als Lagerwerkstoff für die Gleitbeschichtung (3) wird Zinn verwendet. Genannte Gleitbeschichtung (3) des Zylinderkörpers (1) läuft gegen eine sphärisch konvexe Steuerfläche (5) des feststehenden Steuerspiegels (4), welcher aus oberfläch- oder wärmebehandeltem Stahl besteht. Hierbei besitzt die Steuerfläche (2) des Zylinderkörpers (1) zur Anbindung an die achsparallelen Kolbenbohrungen (13) im Querschnitt wesentlich kleinere Steueröffnungen (11), deren Mittelachse (17) im spitzen Winkel (alpha) zur Längsachse (18) der Kolbenbohrungen (13) verläuft. DOLLAR A Anwendung finden derartige Gleitpaarungen in hydrostatischen Axialkolbenmaschinen, welche als Hydropumpe oder Hydromotor zum Einsatz kommen und nach Bedarfslage variables oder konstantes Hubvolumen aufweisen. Die erfindungsgemäß ausgebildeten ...

Description

Die Erfindung betrifft hydrostatische Axialkolbenmaschinen mit einem rotierenden Zylinderkörper, der auf einem Teilkreis mehrere, vorzugsweise achsparallel angeordnete Bohrungen zur Aufnahme von Arbeitskolben besitzt und diese Bohrungen über Steueröffnungen in einer Steuerfläche münden, welche mit der analogen Steuerfläche eines nichtrotierenden Steuerspiegels zum Zwecke der Zu- und Abführung des hydraulischen Mediums kooperiert und mit diesem ein Gleitlager bzw. eine Gleitpaarung bildet.

Anwendung finden derart ausgebildete Gleitpaarungen für hydrostatische Axialkolben­ maschinen, welche als Hydropumpe oder Hydromotor zum Einsatz kommen und variables oder konstantes Hubvolumen aufweisen.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Axialkolbenmaschinen kommen hierbei in stationären oder auch in mobilen hydraulischen Anlagen, beispielweise im Maschinen- oder Fahrzeugbau, zum Einsatz.

Bekannt ist eine hydrostatische Axialkolbenmaschine (EP 0 708 242), deren umlau­ fender Zylinderblock eine stirnseitige Gleitscheibe aus Lagermaterial, vorzugsweise Schmiedebronze, Sintermaterial oder Keramik aufnimmt.

Diese mit Steuerbohrungen versehene Gleitscheibe ist form- oder kraftschlüssig in einer Vertiefung des Zylinderblockes angeordnet und bildet mit einem stationären Steuerkörper eine Gleitpaarung.

Genannter Steuerkörper realisiert über seine nierenförmigen Steuerschlitze die Zu- und Abführung des Druckmittels der Axialkolbenmaschine.

Zum Zwecke der selbstzentrierenden Drehlagerung sind die Steuerflächen von Zylinderblock und zugewandtem Steuerkörper sphärisch ausgebildet.

Die aus bestimmten Lagermaterial hergestellte und form- oder kraftschlüssig im Zylinderblock angeordnete Gleitscheibe erfordert offensichtlich einen hohen technologischen Aufwand zu ihrer Herstellung, zur Fertigung der ringförmigen Vertiefung im Zylinderblock für ihre Aufnahme sowie zur Montage bzw. ihrer sicheren Verbindung miteinander.

Bei dieser bekannten Ausführung erfordert sowohl die Herstellung der Gleitscheibe als auch deren Aufnahmeöffnung im Zylinderkörper hohen Fertigungsaufwand, um deren aufgezeigte Möglichkeiten einer drehfesten und druckflüssigkeitsdichten Verbindung zu realisieren.

Die dazu notwendige massive Gestaltung der einzusetzenden Gleitscheibe aus hochwertigem Lagermaterial steht ebenfalls einer wirtschaftlichen Herstellung des kompletten Zylinderblockes entgegen.

Erschwerend kommt noch hinzu, daß der mögliche Druckaufbau bei derart eingesetzten Gleitscheiben zwischen dieser und der Aufnahmeöffnung des Zylinderblockes durch ein sehr aufwendiges System von Entlastungskanälen kompensiert werden muß.

Diese aufgezeigte ring- und sternförmige Anordnung von Entlastungskanälen erhöht den technologischen Aufwand dieser Zylinderkörpergestaltung um ein weiteres und kann gleichzeitig den Aufbau bzw. die Bildung nachteiliger Druckfelder zwischen Zylinderblock und Gleitscheibe nicht völlig ausschließen.

Weiterhin ist ein Axialgleitlager für hydrostatische Kolbenmaschinen (DD 221 507) bekannt, deren Zylinderkörper eine separate Steuerplatte mit ebener Steuerfläche aufweist und diese ein Dünnschichtlager aus Zinn besitzt.

Diese zinnbeschichtete plane Steuerfläche der mit dem Zylinderkörper umlaufenden Steuerplatte bildet hierbei mit der gehärteten Lauffläche eines analogen Steuerspiegels ein Axialgleitlager, welches aufgrund der Verwendung des Lagerwerkstoffes Zinn als Dünnschichtlager ein exaktes und schnelles Angleiches der sich kontaktierenden Gleitflächen sichert.

Neben niedrigen Reibwerten sichert der Lagerwerkstoff Zinn die Vermeidung materialbedingter Ausschweißungen auf der Lauffläche der gegenüberliegenden Lauffläche des gehärteten Steuerspiegels der Axialkolbenmaschine.

Der geteilte Aufbau des Zylinderkörpers unter Verwendung einer separaten stirnseitigen Steuerplatte als Träger des Dünnschichtlagers aus Zinn ist insofern von. Nachteil, da neben einer notwendigen Drehverbindung beider Teile auch ein Abdichtproblem zwischen Kolbenbohrung im Zylinderkörper und Steueröffnung in der Steuerplatte auftritt, dessen Lösung zusätzlichen technologischen Aufwand erfordert.

Die Verwendung eines Plansteuerspiegels sichert keine Selbstzentrierung des Zylinderkörpers auf diesem, um hohe Drehzahlen der Axialkolbenmaschine zu erreichen. Höhere Selbstsaugdrehzahlen sind nicht zu realisieren, da die zum Steuerspiegel führenden Steueröffnungen im Zylinderkörper eine schräge Anordnung und damit eine zentrifugale Pumpwirkung desselben nicht gestatten.

Sofern sich zwischen den stirnseitigen Anlageflächen beider Bauteile ein unerwünschtes Druckfeld durch Spaltöl bildet, ist neben volum. Wirkungsgradverlusten auch ein Abheben und Verkanten der Steuerplatte vom Zylinderkörper zu verzeichnen.

Dies wirkt sich in jedem Falle nachteilig auf die Lagerpaarung mit dem Steuerspiegel aus und kann zu Fressern auf der Lauffläche, Erhöhung der Leckage, Verlust von Wirkungsgrad sowie Beeinträchtigung der Einsatz- und Lebensdauer führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu beseitigen und eine hydrostatische Axialkolbenmaschine zu schaffen, deren umlaufender Zylinderkörper möglichst selbstzentrierend mit dem Steuerspiegel zusammenwirkt und die Gleitpaarung einen Partner mit einer reibungsmindernden Gleitbeschichtung eines reinmetallischen Lagerwerkstoffes aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die konstruktiven Merkmale des Hauptanspruches in vorteilhafter Weise gelöst.

Die Realisierung eines Dünnschichtlagers aus dem Lagerwerkstoff Zinn mittels einer Materialschlußverbindung auf dem Zylinderkörper sichert sowohl den Einsatz hoch­ wertiger Lagerwerkstoffe durch eine relativ dünne Beschichtung als auch eine wirtschaftlich herstellbare und absolut schlüssige und damit flüssigkeitsdichte Verbindung der Gleitbeschichtung auf dem Zylinderkörper.

Das erfindungsgemäße komplexe Bauteil Zylinderkörper vermeidet gegenüber dem bekannten Stand der Technik technologisch aufwendige Lösungen zur Drehmoment­ verbindung, zur Spaltabdichtung sowie zur Anordnung von Entlastungsnuten, wie dies bei einem mehrteiligen/geteilten Zylinderkörper erforderlich ist.

Ein Druckaufbau durch hydraulisches Medium zwischen der Gleitschicht aus dem Lagerwerkstoff Zinn und dem Zylinderkörper wird durch sicheren Materialschluß in jedem Falle unterbunden sowie eine reibungsmindernde und optimierte Gleitpaarung für höchste Ansprüche hydr. Axialkolbenmaschinen in Druckbereichen bis 400 bar abgesichert.

Der sphärische Steuerspiegel aus verschleißfestem Stahl sichert in Verbindung mit der analogen Steuerfläche des Zylinderkörpers, beschichtet mit reinmetallischem Zinn, eine ideale Gleitpaarung, da die weiche Gleitbeschichtung aus dem Lagerwerkstoff Zinn ein optimales Angleichen der sich berührenden/kontaktierenden Gleitflächen sowie eine günstige Einbettung von Festteilchen gewährleistet.

Auftretende Fertigungstoleranzen im Bereich dieser Gleitflächen werden durch diese Zinnbeschichtung vorteilhaft abgebaut und somit örtlich hohe Flächenpressungen generell vermieden, wodurch die Lebens- und Einsatzdauer sowie die Funktionssicherheit der Axialkolbenmaschine erhöht werden kann.

Durch das Einbettungsvermögen metallischen Abriebes in Form der angesprochenen Festteilchen im Lagerwerkstoff Zinn, wird die Gleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Gleitlagers entscheidend verbessert, die Lagerspiele auch bei hohen Arbeitsdrücken optimiert und ein Durchdrücken bzw. Unterbrechen des Schmierfilmes mit daraus resultierender hoher Erwärmung im Lagerbereich unterbunden.

Somit kann den nachteiligen Fressern im Lagerbereich der Gleitpaarung erfolgreich begegnet werden, da das hervorragende Einbettungsvermögen verschleißfördernder Festteilchen in der Gleitbeschichtung aus Zinn dies vermeidet und ein hoher mechanischer sowie volumetrischer Wirkungsgrad der hydrostatischen Axialkolbenmaschine gesichert werden.

Die Unteransprüche vorliegender Erfindung sichern durch eine zweckmäßige Ausgestaltung der Steuerfläche des Steuerspiegels, der Drehverbindung des Zylinderkörpers auf der Triebwelle, der Ausführung und Bearbeitung der Gleitbeschichtung auf dem Zylinderkörper aus Zinn sowie der Oberflächen- und Wärmebehandlung des Steuerspiegels, die vorteilhafte Ausbildung von Gleitpaarungen für hydrostatische Axialkolbenmaschinen mit umlaufendem Zylinderkörper, die für hohe Dauerdruckbereiche einsetzbar sind.

Nachfolgend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Zeichnungen folgendes darstellen:

Fig. 1 einen Längsschnitt des Zylinderkörpers einer hydrostatischen Axialkolben­ maschine mit konkaver Steuerfläche.

Fig. 2 eine Vorderansicht des Zylinderkörpers gemäß Fig. 1.

Fig. 3 eine Ansicht des mit dem Zylinderkörper gemäß Fig. 1 kooperierenden Steuerspiegels.

Fig. 4 einen Längsschnitt des Steuerspiegels gemäß Fig. 3.

Fig. 5 einen Längsschnitt der kompletten Axialkolbenmaschine.

Fig. 6 eine vergrößerte Einzelheit "A" des Zylinderkörpers gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 gezeigte umlaufende Zylinderkörper 1 einer hydrost. Axialkolben­ maschine, vorzugsweise einer Pumpe, ist ungeteilt ausgeführt und besitzt zum Zwecke der Selbstzentrierung eine sphärisch konkave Steuerfläche 2.

Genannte Steuerfläche 2 ist mit einer als Lagerwerkstoff dienenden Gleitbeschichtung 3 versehen, welche vorzugsweise galvanisch aufgebracht ist und aus Zinn oder überwiegend zinnhaltigen Anteilen besteht.

Die aufgebrachte Gleitbeschichtung 3 aus handelsüblichem Zinn besitzt eine gleichmäßige Dicke von beispielsweise 20 µm, wobei die beschichtete Steuerfläche 2 mit einem entsprechenden Gegenstück in Form des in Fig. 3 dargestellten Steuerspiegels 4 zusammenarbeitet und mit ihm gemeinsam geläppt wird.

Dieser stationäre Steuerspiegel 4 besitzt eine konvex geformte Steuerfläche 5, besteht vorzugsweise aus Stahl und bildet mit dem umlaufenden Zylinderkörper 1 eine Gleitpaarung.

Ausgebildet ist diese Steuerfläche 5 des Steuerspiegels 4 als erhabene Ringfläche 6, die gegenüber dem Profil des Steuerspiegels 4 um ein bestimmtes Maß hervorsteht.

Genannte Steuerfläche 5 des Steuerspiegels 4 ist aus Gründen eines niedrigen Verschleißes sowie einer hohen Einsatzdauer oberflächen- oder wärmebehandelt, vorzugsweise gehärtet, nitriert oder vergütet, wodurch der Steuerspiegel 4 ein funktionssicheres Bauteil der Gleitpaarung mit dem Zylinderkörper 1 darstellt.

In der Ringfläche 6 des genannten Steuerspiegels 4 sind Steuernieren 7; 8 auf einem Teilkreis 9 angeordnet, wobei die größere Steuerniere 7 mit der Einlaßseite 22 der Axialkolbenmaschine verbunden ist.

Die gegenüberliegenden auf der anderen Seite der Totpunktachse 10 vorhandenen kleineren Steuernieren 8 besitzen Verbindung mit der Auslaßseite 23 der Axialkolbenmaschine.

Genannte Steuernieren 7; 8 des Steuerspiegels 4 kooperieren zum Zwecke der Zu- und Abführung des hydraulischen Mediums mit Steueröffnungen 11 des Zylinderkörpers 1, welche auf einem Teilkreis 12 angeordnet sind.

Jede Steueröffnung 11 ist mit einer der vorzugsweise achsparallel angeordneten Kolbenbohrungen 13 für die Arbeitskolben 14 verbunden, die sich über Gleitschuhe 15 an einem als Wiege ausgebildeten Bewegungswandler 16 abstützen.

Die im Querschnitt gegenüber der Kolbenbohrung 13 für die Arbeitskolben 14 wesentlich kleineren Steueröffnungen 11 sind so angeordnet, daß deren Mittelachse 17 in einem spitzen Winkel α zur Längsachse 18 der genannter Kolbenbohrungen 13 verlaufen.

Alle Steueröffnungen 11 haben, wie in Fig. 2 dargestellt, nierenförmigen Querschnitt.

Die Längsachse 18 der Kolbenbohrungen 13 muß nicht parallel verlaufen, sondern kann wahlweise auch kegelig sein, um günstigere Selbstsaugdrehzahlen und kleinere Abmessungen zu erreichen.

Die drehfeste Mitnahme des Zylinderkörpers 1 durch die im Gehäuse 19 der Axialkolbenmaschine drehbar gelagerte Triebwelle 20 erfolgt mittels einer Zahnnabe 21, die gegenüber der Steuerfläche 2 dieses Zylinderkörpers 1 vorhanden ist.

Es ist auch denkbar und möglich, in umgekehrter Weise die Gleitbeschichtung 3 aus Zinn auf der Steuerfläche 5 des stationären Steuerspiegels 4 anzubringen und diese gegen eine Steuerfläche 2 des umlaufenden Zylinderkörpers 1 aus Stahl laufen zu lassen, um eine Gleitpaarung gleich hoher Qualität wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zu sichern.

Neben der bevorzugten vorteilhaften Ausführung eines sphärischen Gleitlagers kann als mögliche Variante der einteilige Zylinderkörper mit einer planen Steuerfläche ausgebildet sein, der unter Inanspruchnahme bestimmter Nachteile im selbstsaugenden Drehzahlbereich an einer ebenfalls planen Steuerfläche des stationären Steuerspiegels zur Anlage kommt und mit diesem eine Gleitpaarung bildet.

Vorzugsweise sollte auch hier die Steuerfläche des Zylinderkörpers die Gleitbeschichtung aus Zinn aufweisen und der anliegende Steuerspiegel aus Stahl bestehen.

Bezugszeichenaufstellung

1

Zylinderkörper

2

Steuerfläche

3

Gleitbeschichtung

4

Steuerspiegel

5

Steuerfläche

6

Ringfläche

7

Steuerniere

8

Steuerniere

9

Teilkreis

10

Totpunktachse

11

Steueröffnung

12

Teilkreis

13

Kolbenbohrung

14

Arbeitskolben

15

Gleitschuh

16

Bewegungswandler

17

Mittelachse

18

Längsachse

19

Gehäuse

20

Triebwelle

21

Zahnnabe

22

Einlaßseite

23

Auslaßseite
α Winkel

Claims (5)

1. Hydrostatische Axialkolbenmaschine mit einem rotierenden Zylinderkörper, der auf einem Teilkreis mehrere, vorzugsweise achsparallel angeordnete Bohrungen zur Aufnahme von Arbeitskolben besitzt und diese Bohrungen über Steueröffnungen in einer Steuerfläche münden, welche mit der analogen Steuerfläche eines nichtrotierenden Steuerspiegels zum Zwecke der Zu- und Abführung des hydraulischen Mediums kooperiert und mit diesem ein Gleitlager bzw. eine Gleitpaarung bildet, gekennzeichnet durch Kombination folgender Merkmale:

• - der Zylinderkörper (1) weist eine vorzugsweise sphärisch konkave Steuerfläche (2) auf, welche mit einem aus Lagerwerkstoff bestehenden Dünnschichtlager in Form einer fixierten Gleitbeschichtung (3) versehen ist.
• - als Lagerwerkstoff für die Gleitbeschichtung (3) dient Zinn.
• - die Gleitbeschichtung (3) des Zylinderkörpers (1) läuft gegen eine verschleißfeste sphärisch konvexe Steuerfläche (5) des feststehenden Steuerspiegels (4), welcher aus oberflächen- oder wärmebehandeltem Stahl besteht.
• - die Steuerfläche (2) des Zylinderkörpers (1) besitzt zur Anbindung an die achsparallelen Kolbenbohrungen (13) im Querschnitt wesentlich kleinere Steueröffnungen (11), deren Mittelachse (17) in einem spitzen Winkel (α) zur Längsachse (18) der Kolbenbohrungen (13) verläuft.

2. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Steuerfläche (5) des Steuerspiegels (4) durch eine erhabene Ringfläche (6) gebildet wird, welche der Anordnung von Steuernieren (7; 8) auf einem gemeinsamen Teilkreis (9) dient.

3. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur drehfesten Mitnahme des Zylinderkörpers (1) auf der Triebwelle (20) eine Zahnnabe (21) vorhanden ist, die sich entgegengesetzt zur Steuerfläche (2) dieses Zylinderkörpers (1) befindet.

4. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbeschichtung (3) aus Zinn eine gleichmäßige Dicke von vorzugsweise 20 µm aufweist, galvanisch aufgetragen/aufgebracht wird und durch Läppen mit dem Steuerspiegel (4) ihre endgültig profilierte Steuerfläche (2) erhält.

5. Hydrostatische Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen- oder Wärmebehandlung der Steuerfläche (5) des Steuerspiegels (4) vorzugsweise durch Härten, Nitrieren oder Vergüten erfolgt.