DE202007017659U1

DE202007017659U1 - Hydrostatische Verdrängereinheit

Info

Publication number: DE202007017659U1
Application number: DE202007017659U
Authority: DE
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: US20090151554A1

Abstract

Hydrostatische Verdrängereinheit mit einer Triebwelle (9) und mit einem Zylinderblock (2), der Zylinderbohrungen (3) aufweist, in denen Kolben (4) längsverschieblich gelagert sind, die einen Kolbenkopf (7), einen Kolbenschaft (6) und einen Kolbenfuß (5) aufweisen, wobei sie sich mit dem Kolbenfuß (5) derart an einer Abstützeinrichtung abstützen, dass unter Drehung der Triebwelle (9) der Kolbenkopf (7) in seiner zugeordneten Zylinderbohrung (3) hin und her bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (4) zumindest teilweise aus einem Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Verdrängereinheit gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 und bezieht sich auf Verdrängereinheiten, die eine Triebwelle und einen Zylinderblock besitzen, der Zylinderbohrungen aufweist, in denen Kolben längsverschieblich gelagert sind. Die Kolben bestehen aus einem Kolbenkopf, einem Kolbenschaft und einem Kolbenfuß, der sich an einer Abstützeinrichtung derart abstützt, dass der Kolbenkopf unter Drehung der Triebwelle in seinem Zylinder hin und her bewegbar ist. Derartige Verdrängereinheiten können als Pumpe oder Hydromotor ausgebildet sein, die bspw. in Fahrantrieben als stufenlos verstellbare hydrostatische Getriebe eingesetzt werden.
Die Drehzahlgrenze von Verdrängereinheiten wird u. a. durch den Verschleiß zwischen Kolben und Zylinderblock begrenzt. Ein besonders kritisches Bauelement stellen dabei die Kolben dar, deren Ausgestaltung Leistungsfähigkeit und Standzeit der Verdrängereinheit stark beeinflusst. Kolben werden herkömmlich aus Stahl hergestellt. Um ihre Massenträgheit möglichst klein und den Verschleiß gering zu halten, sind sie vielfach als Hohlkolben ausgebildet. Dies bedeutet einerseits einen erheblichen Fertigungsaufwand und verursacht nicht unerhebliche Kosten. Andererseits haben Kolben aus Stahl damit immer noch eine relativ große Massenträgheit, die zu der vorgenannten Verschleißanfälligkeit und zur Begrenzung der erreichbaren Drehzahlen führt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diesbezüglich verbesserte hydrostatische Verdrängereinheit zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der eingangs genannten Verdrängereinheit durch Kolben gelöst, die zumindest teilweise aus einem Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff bestehen. Bevorzugt ist die hydrostatische Verdrängereinheit als Axialkolbentriebwerk in Schrägachsenbauweise ausgebildet. Alternativ eignen sich die Kolben aus pulvermetallurgisch hergestelltem Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff aber ebenso für Axialkolbentriebwerke in Schrägscheibenbauweise oder Radialkolbenpumpen.
Vorzugsweise sind die Kolben der Verdrängereinheit einstückig ausgebildet. Hierdurch lässt sich bereits eine weitgehende Reduzierung der Kolbenmasse und damit auch der von den Kolbenfliehkräften abhängigen Verschleißerscheinungen erreichen. Zugleich ergeben sich kosten günstige Herstellungsmöglichkeiten aus pulvermetallurgischem Aluminium-Werkstoff, der als Halbzeug oder vorgeformt nachfolgend einer Schmiede-, Dreh- und/oder Schleifbearbeitung unterworfen werden kann.
In alternativer Ausgestaltung sind die Kolben als Verbundkolben ausgebildet. Auf diese Weise können für die besonders verschleißanfälligen Teile des Kolbens, nämlich Kolbenkopf und Kolbenfuß in Kombination mit den Zylinder- bzw. Kolbenschuhmaterialien die optimalen Werkstoffkombinationen ausgewählt werden.
Bevorzugt ist der Kolben als Hohlkolben ausgebildet, wodurch sich eine weitere Reduzierung der Kolbenmasse erreichen lässt. Vorteilhaft ist des Weiteren, wenn der Kolben eine Längsbohrung aufweist, derart, dass das Druckmittel in dosierter Menge zum Kolbenfuß gelangen und hier als Schmierstoff im Bereich der Abstützung des Kolbens dienen kann. Der Kolbenfuß ist dabei bevorzugt kugelförmig ausgebildet und wird von einer entsprechenden Kugelpfanne eines Gleitschuhs oder Kolbenschuhs oder direkt im Flansch der Triebwelle aufgenommen.
Vorteilhaft ist ferner, wenn der Kolbenkopf ballig oder kugelförmig ausgebildet ist. Dadurch braucht der Kolben nicht durch einen relativ langen zylindrischen Teil linear geführt zu werden, sondern kann innerhalb eines gewissen Winkels eine Schwenkbewegung um die Längsachse des Zylinders ausführen. Dies ist vor allem bei Schrägachsentriebwerken von Vorteil, bei denen sich die Kolben am Triebflansch der Welle unter einem einstellbaren Winkel abstützen, wodurch der Kolbenschaft während der Hin- und Herbewegung des Kolbens einen gewissen Winkelbereich um die Zylinderlängsachse überstreicht. Die Abdichtung des Zylinderraums besorgen dabei ein oder mehrere Kolbenringe. Diese werden von Nuten aufgenommen, die im Kolbenkopf umlaufend angebracht sind.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung bestehen bei einem Verbundkolben der Kolbenfuß aus Stahl und der Kolbenschaft einteilig mit dem Kolbenkopf aus Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff oder es bestehen Kolbenfuß und Kolbenschaft einteilig aus Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff wobei der der Kolbenkopf einen Einsatz aus Keramik aufweist. Alternativ können auch der Kolbenfuß, aus Stahl, der Kolbenschaft aus Hochleistungsaluminium und der Kolbenkopf zumindest teilweise aus Stahl oder Keramik bestehen.
Ein Vorteil der pulvermetallurgisch hergestellten Kolben ist ihre von Natur aus harte und verschleißfeste Oberfläche. Für bestimmte Anforderungen an die Verschleißfestigkeit kann die Oberflächenhärte durch eine Oberflächenveredelung mittels Hart-Eloxieren weiter verbessert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Es zeigen:
1: Ein Schrägachsentriebwerk als Beispiel einer erfindungsgemäßen Verdrängereinheit
2: Vollkolben
3: Hohlkolben
4: Verbundkolben aus Stahl und Aluminium
5: Verbundkolben aus Aluminium und Keramik
6: weitere Beispiel für Verbundkolben
1 zeigt eine erfindungsgemäße Verdrängereinheit 1 am Beispiel eines als Schrägachsentriebwerk ausgebildeten Hydromotors. Grundsätzlich kann die Einheit auch als Pumpe betrieben werden. Die Verdrängereinheit 1 weist einen Zylinderblock 2 auf, der um seine Längsmittelachse drehbar gelagert ist und auf seinem Umfang verteilt Zylinderbohrungen 3 besitzt, in denen Kolben 4 verschiebbar sind. Der Zylinderblock 2 ist um eine quer zu seiner Drehachse verlaufende Schwenkachse schwenkbar im Gehäuse 8 gelagert, so dass die Längsmittelachse des Zylinderblocks 2 einen verstellbaren Winkel mit der Achse der Triebwelle 9 bildet, die ihrerseits fest in einem Lager 10 im Gehäuse 8 gelagert ist. Die Kolben 4 stützen sich dabei mit dem Kolbenfuß 5 an einer Abstützeinrichtung, hier der Flansch der Triebwelle 9, unter dem eingestellten Winkel gelenkig ab. Die Einstellung erfolgt mittels einer Verstellvorrichtung 11, mit der ein am Zylinderblock 2 angebrachtes Ventilsegment 12 verschwenkt werden kann. Der Kolbenfuß 5 ist als Kugel ausgebildet und drehbar in einer Kugelpfanne des Flansches der Triebwelle 9 gelagert. Der Kolbenkopf 7 ist ballig, bspw. in Gestalt einer Kugelschicht ausgebildet und weist zur Seite des Zylindergrunds 13 hin eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche auf, wie nachfolgend anhand der 2 bis 6 noch im Einzelnen beschrieben wird.
Die Verdrängereinheit kann ebenso als Schrägscheibentriebwerk aufgebaut sein. Hierbei stützen sich die in den Zylinderbohrungen des Zylinderblocks längsverschieblich gelagerten Kolben an einer Schrägscheibe ab. Der Kolbenfuß wird dabei bspw. von einem Gleitschuh aufgenommen, der auf der Anlagefläche der Schrägscheibe aufliegt. Ebenso kann der erfindungsgemäße Kolben bei den an sich bekannten Radialkolben- oder Taumelscheibenaggregaten eingesetzt werden.
In 2 ist ein Vollkolben der erfindungsgemäßen Verdrängereinheit im Einzelnen dargestellt. Der einstückige Kolben 4 besteht aus pulvermetallurgisch hergestelltem Hochleistungsaluminium und weist eine kugelförmigen Kolbenfuß 5, einen Kolbenschaft 6 mit verringertem Durchmesser und einen balligen Kolbenkopf 7 auf, der im gezeigten Beispiel als Kugelschicht ausgebildet ist und eine ebene Stirnfläche 15 besitzt. Durch die ballige Ausbildung des Kolbenkopfs 7 kann den Kolben 4 während seiner Hin- und Herbewegung im Zylinder eine Schwenkbewegung um die Längsachse des zugeordneten Zylinders ausführen. Der Kolben 4 kann deshalb vergleichsweise kurz dimensioniert werden und muss nicht streng linear geführt werden. Zur Abdichtung des Zylinderraumes können ein oder mehrere Kolbenringe vorgesehen werden, die in umlaufenden Nuten 14 aufgenommen werden. Ein derartiger Kolben bedeutet im Vergleich mit herkömmlichen Stahlkolben eine erhebliche Gewichtseinsparung, die bei den in der Praxis auftretenden hohen Drehzahlen erhebliche Vorteile mit sich bringt.
Wie in 3 dargestellt ist, kann der Kolben 4 als Hohlkolben ausgebildet werden. Damit lässt sich eine weitere Gewichtsersparnis erreichen Die Längsbohrung 16 kann dabei an ihren Ein- und Austrittsstellen derart verengt werden, dass eine definierte Schmiermittelversorgung der Abstützung am Kolbenfuß 5 durch das Druckmittel gewährleistet wird. Die übrige Ausgestaltung entspricht derjenigen nach 1, auf deren Beschreibung zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.
Die 4 bis 6 zeigen verschieden Ausführungsformen von Kolben 4, die als Verbundkolben ausgebildet sind. Die Bezugszeichen für die bereits zuvor beschriebenen Bauteile werden darin beibehalten.
In besonderen Fällen erweist es sich als vorteilhaft den Kolbenfuß 5 aus Stahl herzustellen (4), während Kolbenschaft 6 und Kolbenkopf 7 wie zuvor aus Aluminium gefertigt werden. In einer anderen Ausführungsform (5) ist der Kolbenfuß 5 zusammen mit dem Kolbenschaft 6 aus Aluminium. Der Kolbenkopf 7 ist mit einem Keramikeinsatz 17 versehen, der ebenfalls in Form einer Kugelschicht auf den Stumpf des Kolbenkopfes 7 aufgesetzt ist. Die 6 zeigt schließlich in den Ausgestaltungen a) und b) verschiedene Kombinationsmöglichkeiten, die sich als vorteilhaft erwiesen haben. Der Kolbenfuß 5 besteht jeweils aus einer Stahlkugel, der Kolbenschaft 6 aus Aluminium, während gemäß 6a auf den Stumpf des Kolbenkopfes 7 die Kugelschicht eines Stahleinsatzes 18 (6a) aufgesetzt ist und gemäß 6b der Kolbenkopf als Ganzes als Stahlkugel 19 ausgebildet ist.
Für die Herstellung der Kolben eignet sich in pulvermetallurgischem Verfahren hergestelltes Hochleistungsaluminium, das als Halbzeug oder nach Vorformung geschmiedet und durch Dre hen und Schleifen mechanisch nachbearbeitet wird. Die Oberfläche der auf diese Weise hergestellten Kolben ist bereits von Natur aus hart und ohne Beschichtung verschleißfest. Dies lässt sich zusätzlich durch eine Oberflächenveredelung mittels Hart-Eloxieren noch weiter verbessern.
Mit der Erfindung ist eine Massereduzierung der Kolben bis zu 62% erreichbar. Etwa in diesem Verhältnis reduziert sich auch die durch die Kolbenfliehkraft wirkende Kolbenwandkraft. Hierdurch wird die Verschleißanfälligkeit erheblich geringer, so dass die Verdrängereinheit auch mit einer höheren Drehzahl betrieben werden kann.

1: Verdrängereinheit
2: Zylinderblock
3: Zylinderbohrungen
4: Kolben
5: Kolbenfuß
6: Kolbenschaft
7: Kolbenkopf
8: Gehäuse
9: Triebwelle
10: Lager
11: Verstellvorrichtung
12: Ventilsegment
13: Zylindergrund
14: Nut
15: Stirnfläche
16: Längsbohrung
17: Keramikeinsatz
18: Stahleinsatz
19: Stahlkugel

Claims

Hydrostatische Verdrängereinheit mit einer Triebwelle (9) und mit einem Zylinderblock (2), der Zylinderbohrungen (3) aufweist, in denen Kolben (4) längsverschieblich gelagert sind, die einen Kolbenkopf (7), einen Kolbenschaft (6) und einen Kolbenfuß (5) aufweisen, wobei sie sich mit dem Kolbenfuß (5) derart an einer Abstützeinrichtung abstützen, dass unter Drehung der Triebwelle (9) der Kolbenkopf (7) in seiner zugeordneten Zylinderbohrung (3) hin und her bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (4) zumindest teilweise aus einem Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff bestehen.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Axialkolbentriebwerk in Schrägachsenbauweise ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Axialkolbentriebwerk in Schrägscheibenbauweise ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) einstückig ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) als Verbundkolben ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) als Hohlkolben ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) eine Längsbohrung (16) zur Schmiermittelversorgung der Abstützung des Kolbenfußes (5) aufweist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenfuß (5) kugelförmig ausgebildet ist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (7) ballig ausgebildet ist und auf der zum Zylindergrund (13) gerichteten Seite eine im Wesentlichen ebene Stirnfläche (15) aufweist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (7) eine umlaufende Nut (14) zur Aufnahme eines Kolbenrings aufweist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenfuß (5) aus Stahl und der Kolbenschaft (6) sowie der Kolbenkopf (7) einstückig aus Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff bestehen.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbenfuß (5) und Kolbenschaft (6) einstückig aus Hochleistungs-Aluminiumwerkstoff bestehen und dass der Kolbenkopf (7) einen Einsatz aus Keramik aufweist.
Hydrostatische Verdrängereinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenfuß (5) aus Stahl, der Kolbenschaft (6) aus Hochleistungsaluminium und der Kolbenkopf (7) zumindest teilweise aus Stahl oder Keramik besteht.
Hydrostatisches Schrägachsentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) durch Harteloxieren oberflächenveredelt ist.