DE2812416A1

DE2812416A1 - Zylindertrommel fuer eine axialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2812416A1
Application number: DE19782812416
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Heyl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1979-10-25
Also published as: DE2812416C2

Description

Zylindertrommel für eine Axialkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Zylindertrommel gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 für eine Axialkolbenmaschine unabhängig davon, ob die Axialkolbenmaschine eine Pumpe oder ein Motor ist und ob sie nach dem Schrägscheibenprinzip oder dem Triebflanschprinzip gestaltet ist. Bekannt ist eine Schrägscheibenaxialkolbenmaschine, bei der die Lauffläche der Kolbenlaufbüchse mit einembei Paarung mit den üblichen Kolbenwerkstoffen reibungsarmen Werkstoff, nämlich Polytetrafluoräthylen beschichtet ist (DE-OS 2 521 182). Diese bekannte Beschichtung hat den Zweck, die Reibung zwischen Kolben und Zylinderwand derart stark zu vermindern, daß sich auch bei geringen Drehzahlen der Kolben im Zylinder dreht. Bei den bisher in der praktischen Anwendung bekannten Axialkolbenmaschinen werden entweder un- mittelbar die Zylinderbohrungen mit Bronze ausgegossen oder es wird in die ylinderbohrungen eine aus massiver Bronze oder Sondermessing bestehende Laufbuchse eingesetzt. Für beide Ausgestaltungsformen ist eine relativ große Schichtstärke bzw. Büchsenwandstärke aus fertigungstechnischen Gründen erforderlich. Da die Bronze bzw. das Messing einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als Stahl, dehnt sich die Büchse bei Erwärmung aus mit der Folge, daß der Innendurchmesser des Zylinders verringert wird. Das gilt insbesondere dann, wenn die Büchse unter Spannung eingepreßt wurde und infolge der Erhitzung der Bronze deren Eigenspannung nachläßt, so daß unter der Wirkung der Spannung des Stahles auch der Außendurchmesser verringert wird0 Bei hohen Temperaturen, die insbesondere bei hohen Kolbengeschwindigkeiten auftreten, und bei schlechter Wärmeabführung, wie sie bei niedrigem Druck durch extrem niedrige Leckverluste entsteht, wird dadurch das Spiel zwischen Kolben und Zylinderinnenwand aufgehoben, so daß es zum Klemmen der Kolben kommt und damit zur Zerstörung der Axialkolbenmaschine durch Ausreißen der Buchse oder durch Ausreißen der Pleuelstange aus dem Triebflansch bei Triebflanschmaschinen oder durch Ausreißen des Kolbenkugelkopfes aus dem Gleitschuh bei Schrägscheibenmaschinen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylindertrommel zu schaffen mit guten Laufeigenschaften, also geringer Reibung, Temperaturbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen über 2500 und mit guten Notlaufeigenschaften.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Laufbüchse aus Stahl besteht und daß diese an der Lauffläche eine dünne Laufschicht aus Bronze aufweist. Dadurch daß die Bronzeschicht sehr dünn ist,ist auch bei hohen Temperaturen die Wärmeausdehnung der Laufschicht gegenüber dem Kolbenspiel gering, so daß ein Kolbenklemmen nicht zu befürchten ist. Wesentlich ist also, daß eine Bronzeschicht verwendet ist und daß die Bronzeschicht dünn ist. Beispielsweise kann die Wandstärke der Bronzeschicht dtwa 1,5 % des Innenbohrungsdurchmessers der Lauffläche betragen, das heißt praktisch 1,5 ffi des Kolbendurchmessers. Diese Wandstärke reicht aus, um ein gutes Gleiten zu sichern, verhindert aber die vorgenannten Gefährdungen. Die Laufschicht kann ans Zinnbronze, Bleibronze, Bleizinnbronze oder Weißmetall bestehen.
Jedoch soll in jedem Falle die Bronze auch kavitationsbeständig sein, damit nicht durch die hydraulischen Strömungsverhältnisse in der Zylinderlaufbüchse oder insbesondere an der Kante der Laufschicht Zerstörungen auftreten. Aus Fertigungsgründen soll die Bronze gut zerspanbar sein'möglichst derart, daß sich beim Tieflochspindeln Kurzspäne ergeben.
Außerdem soll der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bronze möglichst nahe bei dem von Stahl liegen. Ferner soll die Verbindung von Stahlbüchse und Laufschicht so innig und fest sein, daß die Laufschicht allen Kräften standhält, also einerseits den Radialkräften aus den Kolben,den radialen Flüssigkeitskräften,die die Laufschicht aufzuweiten suchen, den axialen Reibungskräften und den hydrßaulischen Kräften, die auf die Stirnfläche wirken und die Laufschicht in axialer Richtung belasten, wobei infolge der geringen Wandstärke der Laufschicht diese Kräfte relativ gering sind. Ferner soll eine gute Wärmeabfuhr durch die Laufsohicht in die Zylindertrommel gewährleistet sein. Die Mindestwandstärke der Bronzeschicht wird in vielen Fällen durch die Fertigungsmöglichkeiten und die erforderlichen Fertigungstoleranzen bestimmt sein.
Die Zylindertrommel kann in üblicher Weise aus Stahl bestehen.
Das hat den Vorteil, daß die Laufbüchse den gleichen WärmedhnE-koeffizien%wie die Zylindertrommel hat. Die Zylindertrommel kann aber auch in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung bestehen.
Da die Stahllaufbüchse infolge der hohen Festigkeit des Stahles bereits einen Teil der aus dem hydraulischen Druck resultierenden Kräfte aufnimmt, reicht die Festigkeit von Leichtmetall aus, um die Restkräfte, die von der Laufbüchse noch auf die Zylindertrommel übertragen werden, aufzunehmen. Um die aus dem Flüssigkeitsdruck resultierenden Restkräfte in der Zylindertrommel, insbesondere im Bereich der von den Zylindern zur Stirnfläche gehenden Kanäle besser aufnehmen zu können, kann auch gemäß einer zweckmäßigen Weiterausgestaltung vorgesehen sein, daß die Zylindertrommel an ihrem äußeren Umfang mit einer Bandage bzw. Ummantelung versehen ist und zwar entweder an der Gesamtlänge des Umfanges oder vorzugsweise nur in dem der Steuerspiegelstirnflache benachbarten Teil der Zylindertrommel. Diese Bandage verhindert ein Ausbrechen des Zylindertrommelwerkstoffes nach außen unter dem hydraulischen Druck.
Die Bandage kann ein Stahlring oder Stahlband sein. Dieser Stahlring kann beispielsweise auf die kaltegeschrumpSte Zylindertrommel aufgezogen werden ggfs. warm aufgezogen werden oder kann warm auf die Zylindertromnel, die Raumtemperatur aufweist, aufgezogen werden oder kann auch aufgelötet oder aufgeklebt werdenrinsbesondere mit aushärtenden Klebern derart aufgeklebt werden, daß sie Materialspannungen in der Zylindertrommel aufnimmt. Diese Ummantelung der Zylindertrommel erhöht somit die Festigkeit der Zylindertrommel. Als Werkstoff für die Zylindertrommel kommt ein Leichtmetall in Frage, wie ein solches unter der Bezeichnunttonstruktal bekannt ist.
Eine LeichtmetallzylinderWommel hat jedoch ein wesentlich geringeres Trägheitsmoment als eine Stahlzylindertrommel, so daß bei ungleichen Winkelgeschwindigkeiten der Drehbewegung durch die geringere Zylindertrommelmasse Vorteile erzielt werden. Eine solche Zylindertrommel aus Stahl, Gußeisen oder Leichtmetall kann vorzugsweise derart gestaltet sein, daß auf die Stirnfläche der Zylindertrommel, die gegen den-Steuerspiegel anläuft, eine Bronzeschicht aufgesintert ist, vorzugsweise im Heißpreßsinterverfahren aufgesintert ist. Dabei wird vor dem Heißpreßsintern eine Zwischenschicht aus einem Material mit geeigneter Gitterkonstanter, beispielsweise Nickel oder vorzugsweise Kupfer aufgebracht, insbesondere galvanisch aufgetragen. Das Aufbringen einer Bronzeschicht auf die Stirnfläche einer Zylindertrommel im Heißpreßsinterverfahren ist ansich bekannt (DE-OS 2 431 254). Die Anwendung dieses Verfahrens hat im vorliegenden Falle den besonderen Vorteil einer Kombination, weil im Falle der Gußeisenzylindertrommel die Unabhängigkeit vom Grundwerkstoff ausgenutzt wird und im Falle einer Leichtmetallzylindertrommel sich der Vorteil einer leichten Zylindertrommel mit einer fest mit dieser verbundenen Bronzeschicht an der Stirnfläche und Zylindern mit hoher Festigkeit und guten Gleiteigenschaften und hoher Temperaturbeständigkeit ergibt. Beim Heißpreßsintern wird unter gleiçhzeitiger Einwirkung von Hitze und Druck gesintert.
Bei den bis heute üblichen Axialkolbenmaschinen in Triebflansch bauform erfolgt die Mitnahme der Zylindertrommel durch Kräfte, die von der Pleuelstange auf den Kolben und vom Kolbenhemd auf die Zylinderinnenwand übertragen werden. Es ist aber auch bereits bekannt, um größere Schwenkwinkel erzielen zu können, das Kolbenhemd zwischen Pleuelstange und Zylinderwand fortzulassen und die Pleuelstange unmittelbar gegen die Wand der Zylindertrommel anliegen zu lassen (FR-PS 73.29921). Auch das ist bei einer Laufbüchse gemäß der Erfindung möglich.
Dabei ist es durchaus möglich, daß die Pleuelstange unmittelbar gegen die dünne Bronzelaufschicht anläuft. Infolge der geringen Wandstärke der Bronzeschicht wird diese sich unter der Belastung durch die Pleuelstange nur wenig verformen und wird sich gut an derXtahllauSbüchse abstützen. In einer Weiterausgestaltung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, bei einer solchen Triebflanschmaschine, bei der die Pleuelstange unmittelbar gegen die Zylinderwand anläuft, die Bronzelaufschicht nur über den Teil der Laufbüchse zu erstrecken, in dem sich der Kolben bewegt und den Teil der Laufbüchse, gegen den die Kolbenstange zum anliegen kommt, nicht mit einer Laufschicht zu versehen, so daß die Kolbenstange unmittelbar gegen die Stahlinnenwand der Stahllaufbüchse zum anliegen kommt. Diese Stahllaufbüchse kann die relativ große Flächenpressung an dieser Stelle gut aufnehmen. Da die Berührung immer nur g kurzzeitig erfolgt,vermag sie aber auch die Gleitungen ohne Störungen aufzunehmen. Dabei ist zu be- rücksichtigen, daß es ans ich bekannt ist, in einem Zylinder, in dem die Kolbenstange an der Zylinderinnenwand zum Anliegen kommt, diesen Bereich, in dem die Anlage erfolgt, bezüglich des Werkstoffes und bzw. oder des Durchmessers abweichend zu gestalten von dem Zylinderteil, in dem der Kolben dichtend geführt ist.
(DE-OS 2 619 005).
Insbesondere dann, wenn unmittelbares Anliegen der Pleuelstange gegen die Innenwand der Laufbüchse vorgesehen ist, kann vorgesehen sein, daß die Laufbüchse nitriert (gasnitriert oder badnitriert) ist. Die kleinen, gut von außen zu erfassenden Laufbüchsen können leichter nitriert werden als eine ganze Zylindertrommel.
besser Die Aufgabe, die Temperaturbeständigkeit zu erhöhen, kann noch gelöst werden, wenn im äußeren Drittel der Laufbüchse bzw. des Teiles der Laufbüchse, in dem der Kolben gleitet, eine Nut vorgesehen ist. Infolge der geringen Wandstärke der Laurschicht wird die Nut in den meisten Fällen tiefer sein als die Laufschicht stark ist, so daß die Nut die Laufschicht ganz durchbricht und bis in das Material der Laufbüchse reicht. In dieser Nut sammelt sich 011 welches insbesondere den Bereich des Kolben, der bei Einstellung auf kleines Hubvolumen pro Umdrehung nie den Zylinder verläßt, kühlt. Dabei ist es nicht erforderlich, daß der durch diese Nut geschaffene Ringraum durch dine Bohrung mit derAußenseite der Zylindertrommel verbunden ist. Eine solche Nut ist ansich bereits vorgeschlagen worden (Patentanmeldung P 28 05 492,4) Am äußeren Umfang der Zylindertrommel kann in üblicher Weise eine Nut vorgesehen sein, die von der Kopfseite der Laufbüchse her in den Spalt zwischen Laufbüchse und Zylindertrommel eindringende Druckflüssigkeit auffängt, wobei der durch diese Nut gebildete Ringraum durch eine Bohrung mit dem Umfang der Zylindertrommel verbunden ist.
Zum Herstellen einer Zylindertrommel gemäß der Erfindung bzw.
einer Laufbüchse für eine Zylindertrommel gemäß der Erfindung kann die Laufschicht auf der Innenseite der Laufbüchse durch Schleudergießen oder durch galvanisches Ausscheiden oder durch Sintern aufgebracht werden. Für den Fall, daß zum Zwecke des unmittelbaren Anliegens der Kolbenstange an die Innenwand des Zylinders die Laufsohicht sich nur über den Teil der Laufbüchse erstreckt, in der der Kolben dichtend geführt wird, kann sowohl vorgesehen sein, daß die Laufschicht nur über den entsprechenden Teil der Laufbüchsenlänge aufgebracht wird'als auch in anderer Ausgestaltungsweise vorgesehen sein kann, daßdie Laufschicht zunächst über die gesamte Länge der LaufbU/chse aufgetragen wird und dann in dem'Teil, in dem die Kolbenstange zum Anliegen kommen soll,wieder abgetragen wird. Infolge der geringen Wandstärke der Laufschicht ist der für solches Abtragen erforderliche Aufwand tragbar.
Die Laufbüchse selbst kann mit Übermaß gefertigt und in die Zylindertrommel eingepreßt werden. Sie kann aber auch durch ein Lot, vorzugsweise ein Weichlot,mit der Zylindertrommel verbunden sein. Dieses Verfahren sichert eine gute Wärmeabführung von der Laufbüchse zur Zylindertrommel.
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele dargestellt und zwar ist jeweils ein Teilabschnitt einer Zylindertrommel einer Triebflansch-Axialkolbenmaschine im Schnitt durch die Achse der Zylinderbohrung dargestellt, wobei in der Zylinderbohrung der KolbenWargestellt ist.
Figur 1 zeigt eine Ausgestaltungsform, bei der die Mitnahme der Zylindertrommel durch Übertragung der Mitnahmekräfte von der Kolbenstange auf den Kolben und von diesem auf den Zylinder erfolgt und Figur 2 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Übertragung der Mitnahmekräfte unmittelbar von der Kolbenstange auf die Zylinderinnenwand erfolgt und Figuren 3 und 4 unterschiiden sich von den Figuren 1 bzw. 2 dadurch, daß zusätzlich eine Nut vorgesehen ist.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch eine Leichtmetallzylindertrommel mit Laufbüchse und teilweiser Ummantelung.
Die Zylindertrommel 1 weist eine Bohrung 2 auf, die durch einen Kanal 3 mit dem Raum /vor der Stirnfläche 4 in Verbindung steht, wobei an der Stirnfläche 4 eine Bronzeschicht 5 angeordnet ist, die im Heißpreßsinterverfahren auf die Stirnfläche 4 aufgebracht ist.
In die Bohrung 2 ist eine Laufbüchse 6 eingesetzt, die an ihrem Außenumfang eine Nut 7 aufweist, die durch eine Bohrung 8 mit dem Außenumfang der Zylindertrommel 1 in Verbindung steht.
Auf die Innenwand der Laufbüchse 6 ist eine dünne Bronzeschicht 9 aufgebracht, in der der Kolben 10 gleitet. Der Kolben 10 ist gelenkig mit der Pleuelstange 11 verbundeni, die mit einem Kugelkopf 12 versehen ist.
Bei der Ausgestaltungsform gemäß Figur 2 sind die Teile 1 bis 8 die gleichen wie bei der Ausgestaltungsform gemäß Figur 1.
Bei der Ausgestaltungsform gemäß Figur 2 erstreckt sich jedoch die dünne Bronzeschicht 13 nicht über die ganze Länge der Laufbüchse 6 sondern nur über den Bereich der Laufbüchse 6, in der der Kolben 14 gleitet, der seinerseits mit der Kolbenstange 15 verbunden ist, die wiederum mit einem Kugelkopf 16 versehen ist. Die Kolbenstange 15 weist ein Anlageteil 17 auf, das unmittelbar an die Innenwand 18 der Laufbüchse 6 zum Anliegen kommt.
Die Ausgestaltungsform gemäß Figur 3 unterscheidet sich von der Ausgestaltungsform gemäß Figur 1 lediglich dadurch, daß zusätzlich die Nut 19 vorgesehen ist und die Ausgestaltungsform gemäß Figur 4 unterscheidet sich von der Ausgestaltungsform gemäß Figur 2 lediglich dadurch, daß zusätzlich die Nut 20 vorgesehen ist.
Die Zylindertrommel 21 weist wiederum an ihrer Stirnfläche 4 eine Bronzeschicht 5. auf und weist Kanäle 3 auf, wobei jeder Kanal 3 einerseits in der Stirnfläche der Bronzeschicht 5 mündet, andererseits in den zugeordneten Zylinder 2 mündet.
Dabei ist in jede Zylinderbohrung eine Laufbüchse 6 eingesetzt, die auf ihrer Innenseite eine Laufschicht 9 aufweist.
Am äußeren Umfang der Zylindertrommel 21 in deren der Stirn-II I . -- -trommel fläche 4 benachbarten Teil ist stramm auf die Zylinder 21 ein Stahlring 22 aufgesetzt.
Nicht mehr in der Zeichnung dargestellt ist eine Abwandlung, bei der auch der entsprechende Teil der Zentralbohrung 23 mit einem Innenring versehen ist.
L e e r s e i t e

Claims

Zylindertrommel für eine Axialkolbenmaschine Patentansprüche: Zylindertrommel für eine Axialkolbenmaschine mit mehreren, zumindest annähernd parallel zur Zylindertrommedoxe angeordneten Zylindern, wobei in jeder Zylinderbohrung eine Laufbüchse angeordnet ist, deren Lauf fläche mit einer dünnen Auflage aus reibungsarmem Werkstoff besteht dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbüchse (6) aus Stahl und die die Auflage bildende dünne Laufschicht (9 bzw.

13) aus Bronze besteht.

2v) Zylindertrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Laufschicht (9 bzw. 13) annähernd 1,5 % des Durchmessers der Innenbohrung der Laufbüchse (6) beträgt.

3.) Zylindertrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindertrommel (1) aus Stahl besteht.

4.) Zylindertrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindertrommel (1) aus Leichtmetall, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung besteht.

5.) Zylindertrommel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an dem dem Steuerspiegel benachbarten Teil der Zylindertrommel (21) an deren äußeren Umfang eine Bandage, vorzugsweise eine aus einem Stahlband bzw.

Stahlring bestehende Bandage (22) angeordnet ist.

6.) Zylindertrommel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnfläche (4) der Zylindertrommel (1) eine Laufschicht aus Bronze angeordnet ist.

7.) Zylindertrommel nach Anspruch 1, für eine Axialkolbenmaschine in Triebflanschbauart, bei der die Mitnahmekräfte für die Drehung der Zylindertrommel durch unmittelbares Anliegen der Kolbenstange gegen ein mit der Zylindertrommel fest verbundenes Teil übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Laufschicht (13) nur über den inneren Teil der Länge der Laufbüchse (6) erstreckt.

8.) Zylindertrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Drittel der Labüchse eine Nut (19) angeordnet ist.

9.) Zylindertrommel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Drittel der Laufschicht eine Nut (20) angeordnet ist.

10.) Zylindertrommel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Umfang der Laufbüchse (6), vorzugsweise in Nähe des inneren Endes der Laufbüchse (6), eine mit dem äußeren Umfang der Zylindertrommel verbundene Nut (7) angeordnet ist.

11.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laurschicht (9 bzw. 13) in der Laufbüchse (6) im Schleudergießverfahren aufgebracht wird.

12.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (9 bzw. 13) auf der Innenseite der Laufbüchse (6) durch galvanisches Ausscheiden aufgebracht wird.

13.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommelrach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laurschicht (9 bzw. 13) an der Innenwand der Laufbüchse (6) durch Sintern aufgebracht wird.

14.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die r Laufschicht (9 bzw. 13) als metallischer Körper in die Innenbohrung der Laufbüchse (6) eingebracht wird und durch ein mechanisches Verfahren wie Rollen, Walzen und bzw.

oder ein thermisches Verfahren wie Kälte schrumpfen mit der Innenwand der Bohrung der Laufbüchse (6) verbunden wird.

15.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laurschicht (9 bzw. 13) nach einem der inden Ansprüchen 10 bis 13 genannten Verfahren auf der ganzen Länge der Laufbüchse (6) auf die Innenwand der Laufbüchse (6) aufgebracht wird und anschließend durch spanabhebende Bearbeitung auf einem für die Anlage der Kolbenstange (15) vorgesehenen Teil der Länge abgearbeitet wird.

16.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Laufbüchse (6) mit Übermaß am Außenumfang gefertigt und mit der Laufschicht (9 bzw. 13) versehen wird und sodann in die Bohrung (2) der Zylindertrommel (1) eingepreßt wird.

17.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Laufbüchse (6) mit der Laufschicht (9 bzw. 13) versehen und sodann durch ein Lot, vorzugsweise ein rgeichlot, mit der Zylindertrommel (1) verbunden wird.

18.) Verfahren zum Herstellen einer Zylindertrommel gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß'die Bronzelaufschicht (5) auf die Stirnfläche (4) der Zylindertrommel (1) im Heißpreßsinterverfahren aufgebracht wird.