CH714438A2 - Axialkolbenmaschine mit beschichteter Trommel. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine umfassend eine Trommel (10) mit Zylinderbohrungen (3) und darin aufgenommenen Kolben (4), die zwischen einer Gleitscheibe (5) und einer Steuerplatte (6) angeordnet ist, wobei die Trommel (10) um eine Rotationsachse rotierbar gelagert ist und an ihrer ersten Stirnseite eine Funktionsfläche (9) aufweist, mit der sie an der Steuerplatte (6) anliegt, und wobei die Trommel (10) an der Funktionsfläche (9) mit einer auftraggeschweissten Beschichtung überzogen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Axialkolbenmaschine.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine mit einer Trommel, die zwischen einer Gleitscheibe und einer Steuerplatte angeordnet ist.

[0002] Axialkolbenmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können als Pumpen zur Umsetzung mechanischer Energie in hydraulische Energie oder Motoren zur Umsetzung von hydraulischer Energie in mechanische Energie eingesetzt werden. Den Axialkolbenmaschinen ist ein Aufbau gemein, wobei eine Trommel mit Zylinderbohrungen zwischen einer hydraulikseitig angeordneten Steuerplatte und einer mechanikseitig angeordneten Gleitscheibe eingefasst ist. Die Gleitscheibe ist schräg zur Trommel ausgerichtet, leicht schräg bei Leerlauf und zunehmend schräger bei höherer Belastung der Axialkolbenmaschine, und in den Zylinderbohrungen der Trommel sind Kolben angeordnet, an deren gleitscheibenseitigen Enden Gleitschuhe befestigt sind, die auf der Gleitscheibe abgestützt werden. Die hydraulikseitige Stirnfläche der Trommel steht mit der Steuerplatte in direktem Kontakt.

[0003] Im Betrieb dreht sich die Trommel und die Steuerplatte ist drehfest fixiert, wodurch die korrespondierenden Kontakt- bzw. Funktionsflächen der Trommel und der Steuerplatte sich relativ zueinander bewegen.

[0004] Um die Reibung an den Funktionsflächen gering zu halten und die Lebensdauer der Axialkolbenmaschine zu verbessern, sowie um die Leakage im Kontaktbereich der Funktionsflächen zu reduzieren, ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, die Funktionsfläche der Trommel, die an der Steuerplatte anliegt, durch Plattieren oder Aufgiessen zu Beschichten. Dies führt allerdings einerseits zu einem erheblichen Mehraufwand und erheblichen Mehrkosten in der Fertigung und andererseits ist eine Einhaltung der typischerweise variierenden Solldicke der Beschichtung über den gesamten Verlauf der Kontaktfläche nur schwer realisierbar.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Erzielung einer deutlichen Reduzierung des Fertigungsaufwands solcher Trommeln bei wenigstens identischer und vorzugsweise verbesserter Qualität.

[0006] Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Axialkolbenmaschine umfassend eine Trommel mit Zylinderbohrungen und darin aufgenommenen Kolben, die zwischen einer Gleitscheibe und einer Steuerplatte angeordnet ist, wobei die Trommel um eine Rotationsachse rotierbar gelagert ist und an ihrer ersten Stirnseite eine Funktionsfläche aufweist, mit der sie an der Steuerplatte anliegt, und wobei die Trommel an der Funktionsfläche mit einer auftraggeschweissten Beschichtung überzogen ist. Die Oberfläche der Funktionsfläche steht in direktem Kontakt mit der Steuerplatte.

[0007] Bei der erfindungsgemässen Axialkolbenmaschine kann es sich um eine Axialkolbenpumpe zur Umsetzung mechanischer Energie in hydraulische Energie oder einen Axialkolbenmotor zur Umsetzung von hydraulischer Energie in mechanische Energie handeln. In Bezug auf die Rotation um ihre gemeinsame Rotationsachse sind die Trommel und Welle fest miteinander gekoppelt. Die mehreren Zylinderbohrungen verlaufen parallel zur Rotationsachse der Trommel und nehmen jeweils einen beweglich gelagerten Kolben auf. Die Gleitscheibe steht schräg zur Rotationsachse der Trommel und die Kolben stehen über gelenkige Lager mit der Gleitscheibe in Verbindung. Vorzugsweise handelt es sich bei der erfindungsgemässen Axialkolbenmaschine um eine Schrägscheibenmaschine, wobei Antriebswelle und die Trommelachse stets in einer Linie verlaufen und die Stellung der Scheibe davon abweicht. In einer Ausführungsform handelt es sich um eine verstellbare Axialkolbenmaschine, in welcher der Winkel der Gleitscheibe zur Trommelachse verändert werden kann.

[0008] Die rotierbar gelagerte Trommel und die zwecks Vermeidung ihrer Rotation fixierte Steuerplatte bewegen sich im Betrieb der Axialkolbenmaschinen relativ zueinander, wodurch die korrespondierende Funktionsflächen der Trommel und der Steuerplatte aneinander reiben.

[0009] In einer Ausführungsform sind sowohl die Trommel als auch die Beschichtung metallisch. Auch die Steuerplatte kann metallisch sein. Die Beschichtung kann eine geringere Härte aufweisen als die Trommel und/oder die Steuerplatte. Beispielsweise können Trommel und/oder die Steuerplatte aus Stahl gefertigt sein und/oder die Beschichtung aus Bronze. Durch unterschiedliche Härten der beiden Kontaktpartner können die Gleiteigenschaften verbessert und die Formbeständigkeit der beiden Oberflächen länger erhalten bleiben, was für die benötigte Lebensdauer essentiell ist. Durch den im Zuge der Nutzungsdauer voranschreitenden Abrieb an den beiden Oberflächen erhöht sich auf der Hochdruckseite die Ölleckage.

[0010] Im Gegensatz zur Beschichtung durch beispielsweise Plattierung oder Aufgiessen ist ein Auftragschweissen schneller und kostengünstiger und ermöglicht eine grössere Masshaltigkeit. Es entfällt auch die Notwendigkeit, die beschichtete Oberfläche nachzubearbeiten.

[0011] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Trommel an ihrer ersten Stirnseite eine Mulde aufweist, deren Oberfläche die Funktionsfläche bildet, wobei die Mulde vorzugsweise wannenförmig ist und eine konvexe Oberfläche aufweist. Eine solche Geometrie kann in Axialkolbenmaschinen generell technisch erforderlich oder zumindest vorteilhaft sein. Die Steuerplatte weist in dieser Ausführungsform eine mit der Mulde korrespondierende Ausformung auf. Die Mulde ist vorzugsweise radialsymmetrisch hinsichtlich der Rotationsachse der Trommel ausgebildet.

[0012] In einer Ausführungsform weist die erste Stirnseite der Trommel eine ringförmige Umgebungsfläche auf, welche die Mulde umschliesst. Die Mulde nimmt in dieser Ausführungsform also nicht die gesamte erste Stirnseite der Trommel ein. Die Umgebungsfläche ist vorzugsweise nicht mit einer auftraggeschweissten Beschichtung überzogen und liegt vor zugsweise nicht an der Steuerplatte an. Die Umgebungsfläche kann in der Radialebene der Trommel oder schräg dazu verlaufen.

[0013] Die Formgebung der Mulde ist entscheidend, um beim Auftragschweissen ein effektives Entweichen der Schweiss-gase zu ermöglichen und so eine Porenbildung zu vermeiden.

[0014] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Neigung der Muldenoberfläche zur Radialebene der Trommel und/oder die Krümmung der Muldenoberfläche in Abhängigkeit des Abstandes, beispielsweise mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse der Trommel verändert. Die Muldenoberfläche kann gedanklich in einen Zentralbereich und einen äusseren Randbereich aufgeteilt werden und in diesen beiden Bereichen unterschiedliche Steigungen und/oder Krümmungen aufweisen. Vorzugsweise findet am Übergang zwischen Zentralbereich und Randbereich eine diskontinuierliche Änderung der Krümmung statt. Eine Unstetigkeit im Steigungsverlauf ist vorzugsweise nicht vorgesehen, eine Änderung der Krümmung kann aber dazu führen, dass sich die Steigung im Randbereich stärker oder in unterschiedlicher Weise verändert.

[0015] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Neigung und/oder die konvexe Krümmung in einem äusseren Randbereich zunehmen. Im Interesse einer hohen mechanischen Festigkeit der Beschichtung kann es vorteilhaft, dass die Neigung bzw. konvexe Krümmung an der Aussenkante der Mulde maximal ist.

[0016] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Neigung in einem äusseren Randbereich abnimmt und/oder dass die Krümmung in einem äusseren Randbereich konvex ist. Ein möglichst flacher Ausklang der Mulde durch eine geringere Steigung bzw. eine konkave Krümmung im Randbereich kann vorteilhaft sein, um ein effektives Entweichen von Schweissgasen zu ermöglichen.

[0017] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Neigung der Muldenoberfläche zur Radialebene der Trommel einen Winkel von 45° und vorzugsweise 25° an keiner Stelle übersteigt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Neigung der Muldenoberfläche zur Radialebene der Trommel im Zentralbereich einen Winkel von 20° und generell einen Winkel von 45° nicht übersteigt. Vorzugsweise beträgt der Winkel generell maximal 20°, vorzugsweise maximal 15° und weiter vorzugsweise maximal 10°. Ein konvexer Verlauf der Mulde odereine Neigung der Muldenkontur, deren Orientierung sich an einen konvexen Verlauf anstatt an einen konkaven Verlauf annähert, sind generell ungünstig für ein effektives Entweichen der Schweissgase. Zur Vermeidung einer Porenbildung in der Beschichtung ist ein ausreichend effektives und ausreichend schnelles Entweichen der Schweissgase jedoch essentiell. Unter Berücksichtigung bevorzugter Geometrien typischer Trommeln können Winkel von zwischen 10° und 20° anzustreben sein. Als maximal tolerierbar sind Winkel von 45° anzusehen.

[0018] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Muldenoberfläche mindestens eine nach aussen abfallende Stufe oder Aussenkante aufweist, vorzugsweise in einem äusseren Randbereich. Die Stufe kann auch abgerundet sein. Eine derartige Stufe oder Unstetigkeit im entsprechenden Bereich kann ein Entweichen von Schweissgasen begünstigen. Umgekehrt ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Muldenoberfläche keine nach innen abfallende Stufe oder Innenkante aufweist.

[0019] Alternativzu einer Mulde kann die Stirnseite auch flach ausgebildet sein oder eine Ausformung mit einer beispielsweise konkaven Oberfläche aufweisen. Wenn die Maschinengeometrie eine solche Konstruktion erlaubt, ist eine solche Ausführungsform vorteilhaft, weil dies das Abströmen der Schweissgase begünstigt.

[0020] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beschichtung mehrschichtig ist. Eine mehrschichtige Beschichtung kann in mehreren Schritten aufgetragen werden. Die einzelnen Schichten können aus denselben oder unterschiedlichen Materialien bestehen, wodurch beispielsweise bestimmte Härteprofile erreicht werden können. Beispielhafte Dicken einer Einzellage betragen zwischen 0,5 bis 1 mm, vorzugsweise 0,7 mm.

[0021] Vor dem eingangs genannten Hintergrund betrifft die Erfindung weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer er-findungsgemässen Axialkolbenmaschine, wobei die Beschichtung durch Auftragschweissen und vorzugsweise Laserauf-tragschweissen angebracht wird. Beim Auftragschweissen findet ein Volumenaufbau durch das Aufbringen des Beschichtungsmaterials statt.

[0022] In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schichtauftrag auf der Kontaktfläche von innen nach aussen erfolgt. Beispielsweise kann der Auftrag an sequentiell aufgebrachten, radial nach aussen verlaufenden Bahnen erfolgen. Die rotationsachsnahen Bereiche der Funktionsfläche werden also in jedem Arbeitsschritt vor den rotationsachsfernen Bereichen beschichtet und die Schweissgase entweichen in etwa in radialer Richtung nach aussen. Vorschub und Beschichtungsmaterialzufluss können entsprechend der Radialposition derart vorgegeben, dass sich eine Beschichtung mit gleichmässiger Oberfläche ergibt.

[0023] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren diskutierten Ausführungsbeispielen. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 : eine Schnittansicht einer Axialkolbenmaschine;

Fig. 2: eine schematische Schnittansicht durch die Trommel einer Axialkolbenmaschine;

Fig. 3: drei Detailansichten eines ungünstig ausgebildeten Randbereichs der Stirnfläche einer solchen Trommel;

Fig. 4: eine Detailansicht eines günstig ausgebildeten Randbereichs der Stirnfläche einer solchen Trommel; und

Fig. 5: weitere zwei Detailansichten günstig ausgebildeter Randbereiche der Stirnfläche einer solchen Trommel.

[0024] Eine Längsschnittansicht einer Axialkolbenmaschine ist in Fig. 1 dargestellt. Die Axialkolbenmaschine umfasst ein Gehäuse 1 mit einer Bohrung für eine Welle 2, die drehfest mit einer rotierbar im Gehäuse gelagerten Trommel 10 verbunden ist. Die Trommel 10 umfasst mehrere axiale Zylinderbohrungen 3, in denen Kolben 4 linearverschieblich aufgenommen sind. Im Gehäuse 1 sind ferner eine Gleitscheibe 5 und eine Steuerplatte 6 aufgenommen, zwischen denen die Trommel 10 eingefasst ist. Die Neigung der Gleitscheibe 5 relativ zur Trommel 10 kann anhand eines Steuerkolbens 7 eingestellt werden. Die Hydraulikkanäle 8a für Niederdruck und 8b für Hochdruck der Axialkolbenmaschine münden an der Steuerplatte 6. Wie aus der Figur ersichtlich ist, liegen die Steuerplatte 6 und die Trommel 10 in einem Kontaktbereich 9 aneinander an und weisen sich berührende Funktionsflächen auf. Es ist zu erkennen, dass die Trommel 10 an der entsprechenden Stirnfläche eine muldenförmige Einformung und die Steuerplatte 6 eine korrespondierende Ausformung aufweist.

[0025] Eine vereinfachte Längsschnittansicht durch eine Trommel 10 einer solchen oder auch anderen Axialkolbenmaschine ist in Fig. 2 dargestellt. Die generell zylindrische Trommel 10 umfasst eine um deren Rotationsachse A verlaufende Zentralbohrung 11 zur Aufnahme der Welle (Bezugszeichen 2 im Beispiel der Fig. 1). An der Stirnseite 12, die in der Einbausituation an der Steuerplatte (Bezugszeichen 6 im Beispiel der Fig. 1) liegt, ist eine muldenförmige Einformung 13 vorgesehen, deren Oberfläche 14 die Funktionsfläche zur Steuerplatte ausbildet. Diese Oberfläche ist mit einer auftrag-geschweissten Beschichtung 15 überzogen.

[0026] In der Fig. 2 ist ein Randbereich der Stirnseite 12 mit gepunkteten Linien markiert. Dieser Bereich wird in den Fig. 3 bis 5 näher betrachtet.

[0027] Fig. 3a bis 3c zeigen Detailansichten des entsprechenden Bereichs, wobei die Mulde 13 seitlich an einer nach innen abfallenden Stufe 16 endet. Eine derartige Stufe 16 ist für die Anbringung der auftraggeschweissten Beschichtung 15 von Nachteil. Wenn nämlich, wie in Fig. 3b anhand des Pfeils B angedeutet, der Auftrag der Beschichtung 15 von innen nach aussen erfolgt, sich also die momentane Schweissstelle 15a von innen nach aussen bewegt, entweicht das Schweissgas hauptsächlich in dem Bereich C an der Aussenseite der momentanen Schweissstelle 15m, wie dies in den Fig. 3b und 3c anhand von Pfeilen angedeutet ist. Im Bereich D oberhalb des unmittelbar zuvor aufgetragenen Beschichtungsabschnitts 15z entweicht nur wenig Schweissgas, da die aus der grossen Hitze resultierende Konvektion eine Barriere für das Entweichen der Schweissgase darstellt. Deshalb behindert eine in Schweissrichtung, d. h. nach aussen ansteigende Stufe bzw. Kontur 16 das Entweichen der Schweissgase. Sobald sich die momentane Schweissstelle 15m der Stufe 16 nähert, wie in Fig. 3c dargestellt, steht für das Entweichen der Schweissgase nur noch ein schmaler Raumbereich zur Verfügung und es kommt zur Porenbildung, was allerdings unbedingt vermieden werden muss.

[0028] Die Erfinder hatten bereits einige Zeit damit experimentiert, die Funktionsfläche der Trommel mittels Auftragsch-weissen zu beschichten. Eine praktische Umsetzung scheiterte aber am Problem der Porenbildung, und zwar unabhängig von dem konkret eingesetzten Verfahren, also unabhängig davon, ob die Beschichtung mittels Laser-Auftragschweissen, Plasma-Pulver-Auftragschweissen oder anderen Verfahren aufgetragen wurde. Denn die Voraussetzung einer Anwendungstauglichkeit in Axialkolbenmaschinen ist eine vollständige Porenfreiheit der Beschichtung, zumal bei den typischen Betriebsdrücken von einigen hundert Bar das Hydrauliköl in jede vorhandene Pore eindringt, was ein unmittelbar einsetzendes und voranschreitendes Ablösen der Beschichtung und damit einen schnellen Totalausfall der Axialkolbenmaschine verursacht sowie Sekundärschäden im gesamten Ölkreislauf hervorrufen kann. Bei den frühen Experimenten blieb unerkannt, dass das Hauptproblem in einer unzureichenden Ableitung der Schweissgase lag. Auf der Grundlage der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Massnahmen konnte erreicht werden, dass Axialkolbenmaschinen mit auftraggeschweissten Beschichtungen an der Funktionsfläche der Trommel nun praktisch ersetzbar sind.

[0029] In einer bevorzugten Ausgestaltung sieht die Erfindung daher eine besondere Ausbildung der Mulde 13 vor, wie sie beispielsweise in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. In dieser Ausgestaltung fehlt es an einer nach aussen ansteigenden Stufe am Rand der Mulde 13. Stattdessen umfasst die Mulde 13 eine Randzone 17 mit einer im Vergleich zum Zentralbereich 18 der Mulde 13 stärkeren konvexen Krümmung der Oberfläche 14. Der Neigungswinkel a der Oberfläche 14 zur Radialebene E der Trommel 10 liegt im Zentralbereich 18 der Mulde 13 bei maximal etwa 10° (a1) und steigt auch in der Randzone 17 nur bis maximal 20° (a2) an. Diese Winkel sind ausreichend gering, um ein Entweichen des Schweissgases an jeder Stelle in ausreichendem Masse zu ermöglichen. Auch fehlt es durch die immer stetige und nie abrupte Änderung der Steigung an einer Innenkante, in der das Abströmen der Schweissgase behindert und damit verzögert werden könnte. Ferner trägt eine solche Gestaltung zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Beschichtung 15 bei. Die Oberfläche 14 erreicht im gezeigten Beispiel ihre maximale Steigung direkt am Randpunkt 19 der Mulde 13, was für die mechanische Festigkeit der Beschichtung von Vorteil ist.

[0030] Im gezeigten Beispiel besteht die Beschichtung 15 aus drei einzelnen Schichten 15a, 15b und 15c, die sequentiell nacheinander mittels Laserauftragschweissen aufgetragen wurden.

[0031] Fig. 5a und 5b zeigen weitere Beispiele, wie die Oberfläche 14 der Mulde im Randbereich in einer für das Auftrag-schweissen günstigen Weise ausgebildet sein könnte. Im Falle der Fig. 5a ist dabei am Randpunkt 19 der Mulde 13 eine nach aussen abfallende Stufe 20 vorgesehen, über die Prozessgas entweichen kann. In der Randzone 17 davor ist keine erhöhte konvexe Krümmung vorgesehen, sondern ein relativ flaches ausklingen der Mulde 13 mit einem Neigungswinkel a von etwa 10°. Im Falle der Fig. 5b ist eine nach aussen abfallende Stufe 21 schon innerhalb der Mulde 13, also noch in der Randzone 17 und vor dem Randpunkt 19 vorgesehen.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1. Axialkolbenmaschine umfassend eine Trommel mit Zylinderbohrungen und darin aufgenommenen Kolben, die zwischen einer Gleitscheibe und einer Steuerplatte angeordnet ist, wobei die Trommel um eine Rotationsachse rotierbar gelagert ist und an ihrer ersten Stirnseite eine Funktionsfläche aufweist, mit der sie an der Steuerplatte anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel an der Funktionsfläche mit einer auftraggeschweissten Beschichtung überzogen ist.
2. 2. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel an ihrer ersten Stirnseite eine Mulde aufweist, deren Oberfläche die Funktionsfläche bildet, wobei die Mulde vorzugsweise wannenförmig ist und eine konvexe Oberfläche aufweist.
3. 3. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Neigung der Muldenoberfläche zur Radialebene der Trommel und/oder die Krümmung der Muldenoberfläche in Abhängigkeit des Abstands von der Rotationsachse der Trommel verändert.
4. 4. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung und/oder die konvexe Krümmung in einem äusseren Randbereich zunimmt.
5. 5. Axialkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung in einem äusseren Randbereich abnimmt und/oder dass die Krümmung in einem äusseren Randbereich konvex ist.
6. 6. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Muldenoberfläche zur Radialebene der Trommel einen Winkel von 45° und vorzugsweise 25° an keiner Stelle übersteigt.
7. 7. Axialkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenoberfläche eine nach aussen abfallende Stufe oder Aussenkante aufweist, vorzugsweise in einem äusseren Randbereich.
8. 8. Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mehrschichtig ist.
9. 9. Verfahren zur Herstellung einer Axialkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Auftragschweissen und vorzugsweise Laserauftragschweissen angebracht wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtauftrag auf der Funktionsfläche von innen nach aussen erfolgt, vorzugsweise an sequentiell aufgebrachten, radial nach aussen verlaufenden Bahnen.