Hydrostatische Kolbenmaschine, insbesondere hydrostatische

Axialkolbenmaschine

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Kolbenmaschine, die als Pumpe oder als Motor verwendet werden kann und insbesondere als hydrostatische Axialkolbenmaschine ausgebildet ist und die eine Zylindertrommel aufweist, in der eine Vielzahl von Zylinderbohrungen ausgebildet ist, in denen axial bewegbare

Verdrängerkolben angeordnet sind. Es sind hydrostatische Axialkolbenpumpe bekannt, in denen eine Gusszylindertrommel und gasnitrierte Kolben verwendet werden: Damit diese Kombination gut funktioniert, wird an der Oberfläche der Zylinderbohrungen der Zylindertrommel durch Wärmebehandlung, die üblicherweise in einem Nitrieren oder in einem

Nitrocarburieren besteht, eine sogenannte Verbindungsschicht (im Englischen Compound zone oder Compound layer oder white zone oder white layer genannt), die kurz auch VS genannt wird, sich ganz außen befindet und aus Eisennitriden besteht, und darunterliegend eine sogenannte Diffusionsschicht erzeugt. Nach der Wärmebehandlung werden die Zylindertrommeln nach Maßhaltigkeit kontrolliert und gegebenenfalls nachbearbeitet, um die Maßhaltigkeit zu gewährleisten. Ist die Verbindungs- schicht nicht vorhanden oder wird diese bei der Nachbearbeitung entfernt, kann es zum Fressen zwischen den Verdrängerkolben und der Zylindertrommel und damit zum Ausfall der hydrostatischen Kolbenmaschine kommen.

Bekannt sind auch hydrostatische Axialkolbenpumpen, in denen eine Sinterzylinder- trommel und gasnitrierte und nachoxidierte Verdrängerkolben eingesetzt werden. Durch die Verwendung der nachoxidierten Verdrängerkolben wird durch einen Ein- laufprozess die Funktionsfähigkeit der Kolbenmaschine sichergestellt. Die Sinterzy- lindertrommeln werden nicht wärmebehandelt und besitzen somit keine Verbindungsschicht in den Zylinderbohrungen.

Es sind auch hydrostatische Axialkolbenpumpen bekannt, in denen eine nach der Bearbeitung durch Nitrieren in ihren Randschichten gehärtete Stahlzylindertrommel und nitrierte und nachoxidierte Verdrängerkolben eingesetzt werden. Diese wärmebehandelte Zylindertrommel weist durch das Nitrieren in den Zylinderbohrungen wieder eine Verbindungsschicht auf. Die Kontaktstellen zwischen den Verdrängerkolben und der Zylindertrommel einer hydrostatischen Kolbenmaschine sind tribologisch komplexe Kontaktstellen. An diesen Kontaktstellen entstehen in der Eckleistung unter anderem auch die größten mechanisch hydraulischen Verluste. Wenn diese Kontaktstellen nicht einwandfrei funktionieren, führt diese schon sehr bald zum Ausfall der hydrostatischen Kolbenmaschi- ne. Für die Kontaktstellen, also für die Verdrängerkolben und die Zylindertrommel können beliebige Materialien verwendet werden, wenn die Funktion gewährleistet sein soll.

Andererseits werden von den Anwendern immer höhere Betriebsdrücke gefordert, um bei gegebenem Bauraum hydrostatische Kolbenmaschine mit höherer Leistung zu haben. Ab bestimmten Betriebsdrücken können aktuell eingesetzte Werkstoffe wie Eisenguss oder Sintereisen nicht mehr verwendet werden, da die Werkstoffe die hohen Belastungen nicht mehr aufnehmen können und versagen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydrostatische Kolbenmaschine der eingangs genannten Art mit einer gut funktionierenden, kostengünstigen und reibungsarmen Paarung/Kombination der Materialien von Verdrängerkolben und Zylindertrommel zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer hydrostatischen Kolbenmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Zylindertrommel aus einem Stahl ohne eine der Fertigung folgende Wärmebehand- lung gefertigt ist und dass die Verdrängerkolben aus Stahl bestehen und eine harte Randschicht aufweisen.

Bevorzugt ist die Zylindertrommel aus einem vergüteten, also relativ weichen Stahl gefertigt.

Vorteilhafterweise sind die Verdrängerkolben wärmebehandelt. Sie können nitriert, insbesondere gasnitriert und nachoxidiert sein. Bevorzugt sind die aus einem Stahl bestehenden Verdrängerkolben nitriert und nachoxidiert, insbesondere nitrocarburiert und nachoxidiert.

Möglich ist auch, die Verdrängerkolben mit einer DLC-Schicht (Diamond-like Carbon Schicht) (in Deutsch: mit einer Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff) zu verse- hen.

Die aus einem vergüteten Stahl gefertigte Zylindertrommel kann ohne weitere Wärmebehandlung und die Erzeugung einer harten Randschicht an der Oberfläche der Zylinderbohrungen verwendet werden. Vergüteter Stahl ist solcher Stahl, der zu- nächst gehärtet und dann bei Temperaturen von 500 Grad Celsius und mehr angelassen wird. Nach einer derartigen Behandlung ist das Risiko der Rissbildung und eines spröden Bruchs stark verringert. Durch das Anlassen von gehärtetem Stahl nehmen im Allgemeinen die Härte und Festigkeit ab und das Formänderungsvermögen nimmt zu.

Eine für die Zylindertrommel gut geeignete Stahlsorte ist zum Beispiel der Stahl 42 CrMoS4+QT, wobei die Abkürzung QT für„vergütet" steht.

Axialkolbenmaschinen mit der Paarung von nachoxidierten Verdrängerkolben und relativ weicher Stahlzylindertrommel sind ohne Ausfall mit hoher Laufzeit getestet worden. Mit der erfinderischen Paarung können die Zylinderbohrungen hinsichtlich Maß und Form sehr genau und schnell hergestellt werden, da ein Verziehen der Zy- linderbohrungen durch die nicht nachfolgende Wärmebehandlung vermieden ist. Aufgrund der Genauigkeit der Zylinderbohrungen in den Maßen und in der Form wird ein guter mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad der hydrostatischen Kolbenmaschine erhalten. Das Einlaufverhalten ist verbessert. Durch den Entfall der Wärme- behandlung sind die Herstellkosten gering. Schließlich sind durch die Verwendung von Stahl für die Zylindertrommel hohe Drücke möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längs- schnitt durch eine verstellbare hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise.

Die dargestellte Axialkolbenmaschine besitzt eine Triebwelle 1 , die über zwei Wälzlager 2 und 3 in einem Gehäuse, das im Wesentlichen aus einem Gehäusetopf und eine den Gehäusetopf verschließende Anschlussplatte besteht, drehbar gelagert ist. Die Triebwelle 1 hat einen ersten Wellenabschnitt, der radial von einer Ausnehmung einer Zylindertrommel 4 umschlossen ist.

Ein zweiter Wellenabschnitt der Triebwelle 1 weist einen Außenverzahnungsbereich 5 auf, auf dem die Zylindertrommel 4 mit einer Innenverzahnungsbohrung 6 angeordnet ist. Über die Verzahnungen sind die Triebwelle 1 und die Zylindertrommel 4 drehfest miteinander gekoppelt.

Die Zylindertrommel 4 besitzt eine Mehrzahl von auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Zylinderbohrungen 7, in denen jeweils ein Kolben 8 verschiebbar geführt ist. Diese Kolben 8 begrenzen gemeinsam mit den Zylinderbohrungen 7 Arbeitsräume 9, deren Volumen sich mit dem Hub der Kolben ändert.

Eine dem Arbeitsraum 9 entfernte Gelenkkugel 10 eines jeden Verdrängerkolbens 8 ist gelenkig mit einem Kolbengleitschuh 1 1 verbunden. Dieser Kolbengleitschuh 1 1 liegt an einer verschwenkbar am Gehäuse gelagerten Schrägscheibe 12, wegen der Verschwenkbarkeit auch Schwenkwiege genannt, an. Der Anstellwinkel der Stützflä- che 13, an der die Kolbengleitschuhe 1 1 in Anlage sind und entlanggleiten können, bestimmt den bei einer Umdrehung der Zylindertrommel 4 vollführten Kolbenhub und damit das Fördervolumen (Pumpenbetrieb) beziehungsweise Schluckvolumen (Motorbetrieb) der Maschine.

Auf der Antriebswelle 1 ist eine Rückzugkugel 18 angeordnet, die eine Rückzugplatte 19 in Richtung auf die Schwenkwiege 12 zu beaufschlagt, wobei die Rückzugplatte 19 wiederum die Kolbengleitschuhe 1 1 in Anlage an der Stützfläche 13 der

Schwenkwiege 12 hält.

Auf der der Schwenkwiege 12 abgewandten Seite besitzt die Zylindertrommel 4 eine Stirnwandung 14, mit der sie an einer am Gehäuse abgestützten, drehfesten Steuerplatte 15 in Anlage ist, die eine Druckniere 16 und eine Saugniere 17 auf demselben Teilkreis wie die Zylinderbohrungen 7 aufweist. Die Druckniere 16 und die Saugniere 17 stehen mit dem Hochdruckkanal beziehungsweise dem Niederdruckkanal einer Anschlussplatte 21 in Verbindung. In der Figur sind die Druckniere und die Saugniere an der Steuerplatte zum besseren Verständnis eingezeichnet. An sich sind sie in dem gezeigten Schnitt, der in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Schwenkachse der Schwenkwiege steht und in der die Achse der Triebwelle 1 liegt nicht sichtbar.

Die Schwenkwiege 12 ist durch eine Versteilvorrichtung 20 einstellbar.

Erfindungsgemäß ist die Zylindertrommel 4 aus einem vergüteten Stahl gefertigt. Eine für die Zylindertrommel gut geeignete Stahlsorte ist zum Beispiel der Stahl 42 CrMoS4+QT, wobei die Abkürzung QT (quenched and tempered) für„vergütet" steht. Auch die Verdrängerkolben 8 sind aus einem Stahl gefertigt. Die Verdrängerkolben werden nach der fertigen mechanischen Bearbeitung gasnitriert, insbesondere gasnitrocarburiert, und nachoxidiert. Aufgrund des Nachoxidierens ist die oberste Schicht der Verdrängerkolben eine Oxidschicht.

Beim Gasnitrocarburieren wird die Oberfläche der Verdrängerkolben mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Dies erfolgte in einer Gasatmosphäre, die Ammoniak und kohlenstoffabgebenden Zusatzgase enthält, bei einer Behandlungstemperatur von zum Beispiel 570°C bis 580°C.

Die dabei entstehende Nitrocarburierschicht besteht aus einer Verbindungsschicht von zum Beispiel etwa 20 μιτι und einer darunter liegenden Diffusionsschicht.

Danach werden die Verdrängerkolben in einem Sauerstoff abgebenden Medium nachoxidiert. Dabei wird im äußeren Bereich der Verbindungsschicht eine Fe3O4°- Oxidschicht von einer Dicke von 1 bis 4 μιτι, meist zwischen 2 und 3 μιτι, gebildet.

Eine erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine ist mit besonderem Vorteil als Komponente eines hydraulischen Hybridantriebs in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Personenkraftfahrzeug verwendbar. In Fahrzeugen kommt es in besonderer Weise auf einen geringen Platzbedarf und niedrige Kosten der einzel- nen Komponenten bei hoher Leistung an.