Hydraulische Axialkolbenmaschine mit einer Anschlussplatte

Die Erfindung betrifft eine Hydraulische Axialkolbenmaschine, die als Hydropumpe oder als Hydromotor ausgebildet- sein kann und die eine Anschlussplatte aufweist, die einen Hochdruckraum und einen Niederdruckraum aufweist und in der Öffnungen vorgesehen sind, über die der Hochdruckraum und der Niederdruckraum mit durch den Hub von Axialkolben in ihrem Volumen veränderbaren Arbeitsräumen fluidisch verbindbar sind.

Eine derartige Axialkolbenmaschine mit Anschlussplatte und Axialkolben ist aus der Druckschrift DE 103 49 318 Al bekannt, wobei die Anschlussplatte aus einem zuvor hergestellten Strangprofil zu Anschlussplattenrohlingen abgelängt und dann weiter bearbeitet ist. Der Strangrohling ist aus Aluminium, Eisen oder Kupfer hergestellt oder aus einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle. Dabei ist es bekannt, dass Aluminium und/oder Kupferlegierungen im Vergleich zu Eisen und Stahllegierungen nur eine verringerte Druckfestigkeit aufweisen, so dass Anschlussplatten aus Aluminium oder Kupfer oder deren Legierungen nur für Axialkolbenmaschinen mit begrenztem Fluiddruck geeignet sind.

Darüber hinaus hat die bekannte Anschlussplatte den Nachteil, dass sie mit einem relativ teuren Verfahren hergestellt wird, da lediglich das äußere Profil durch den Strangguss vorgegeben wird, während die innere Struktur der Anschlussplatte mit Hoch- und Niederdruckraum und entsprechenden Öffnungen zu den in einer Trommel mit rotierenden Axialkolben mit relativ kostenintensiven spanabhebenden Bearbeitungen herzustellen ist. Aufgrund der hohen Festigkeit, die mit Gusseisen erreicht werden kann, und aufgrund der Möglichkeit gleichzeitig die relativ komplexe Innenstruktur der Anschlussplatte in Massenproduktion beim Gießen herstellen zu können, wobei lediglich Dichtnuten sowie Lagerschalensitze spanabhebend nachzubear- beiten sind, hat sich die Verwendung von Gusseisen trotz seines hohen Gewichts für derartige Axialkolbenmaschinen im Stand der Technik und in der Massenfertigung durchgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydraulische Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu gestalten, dass sie mit hohen Drücken betrieben werden kann und trotzdem hinsichtlich Gewicht und Kosten Vorteile gegenüber bekannten Axialkolbenmaschinen bietet.

Diese Aufgabe wird mit einer Axialkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Axialkolbenmaschine mit einer Anschlussplatte geschaffen, die einen Hochdruckraum und einen Niederdruckraum aufweist, in der Öffnungen vorgesehen sind, über die der Hochdruckraum und der Niederdruckraum mit durch den Hub von Axialkolben in ihrem Volumen veränderbaren Arbeitsräumen fluidisch verbindbar sind, und die zur Material- Verstärkung mindestens ein eingepasstes Verstärkungselement aufweist, dessen Material eine höhere Festigkeit als ein Grundmaterial hat.

Eine derartige Axialkolbenmaschine mit einer Anschlussplatte aus einem Grundwerkstoff mit einer geringeren Festigkeit als die Verstärkungselemente hat den Vorteil, dass vorzugsweise Aluminiumdruckgusslegierungen nun für deutlich höhere Nenn- drücke einsetzbar sind als bisher im Stand der Technik möglich. Darüber hinaus hat eine derartige Axialkolbenmaschine den Vorteil, dass mindestens die Anschlussplatte in ausreichend hohen Stückzahlen gefertigt werden kann und spanabhebende Nachbearbeitungen in Grenzen gehalten bleiben, da es durch den Aluminiumdruckguss möglich ist, eine preiswerte Massenproduktion der komplexern Struktur der Anschlussplatte bei gleichzeitig erheblichen Gewichtsvorteilen zu erreichen.

Die Grenzen bei dem Einsatz von Aluminiumdruckgusslegierungen und anderer Werkstoffe, die als Grundmaterial für eine Axial- kolbenmaschine nicht die hohen Festigkeitswerte von Gusseisenmaterialien erreichen, können aufgrund des erfindungsgemäßen Verstärkungselements nun überwunden werden. Das Verstärkungselement ist in kritischen zugbelasteten Bereichen der Anschlussplatte integriert, so dass die Anschlussplatte deutlich höheren Belastungen für die mit dem Fluiddruck beaufschlagten Flächen standhält. Außerdem vergrößert jede Möglichkeit, die Festigkeit in den druckbelasteten Bereichen zu erhöhen, ohne den Grundwerkstoff selbst zu wechseln, die Anwendungsmöglichkeiten für derartige Aluminiumdruckgusslegierungen oder für ähnliche Werkstoffe, insbesondere für die Anschlussplatten von Axialkolbenmaschinen.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird durch Verspannen des Bauteils, insbesondere der Anschlussplatte, durch einen oder mehrere Ringe in den kritischen Zonen der Anschlussplatte die Festigkeit erhöht. Dieser Ring bzw. diese Ringe induzieren Druckspannungen in den besonders kritischen Bereichen der Öffnungen der Anschlussplatte zu den Arbeitsräumen, zumal diese Öffnungen vorzugsweise nierenförmig ausgebildet sind. Dabei kann die Vorspannung bei derartigen Verstärkungsringen durch Aufpressen und/oder durch Aufschrumpfen erreicht werden. Radial nach innen wirkend kann durch einen äußeren Ring eine Stützwirkung erreicht werden, aber gleiches ist auch mit einem inneren Ring möglich, der Spannungen radial» nach außen induziert. Anstelle des inneren Ringes kann auch ein Lagerring des Wälzlagers der An- oder Abtriebswelle der Maschine eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die für die Bauteilfertigung kritischen Zugspannungen im Verhältnis zu den herkömmlichen Konstruktionen deutlich reduziert.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das eingepasste Verstärkungselement ein die Öffnungen von Hoch- und Nieder-

I druckraum umfassender Verstärkungsring, der in eine äußere Ringnut der Anschlussplatte radial außerhalb des Bereichs der Öffnungen von Hoch- und Niederdruckraum eingeschrumpft ist und mit seiner radial inneren Ringfläche Druckspannungen auf das Grundmaterial ausübt. Dazu wird lediglich in einen Rohling einer Druckgussanschlussplatte aus einer Aluminium- oder anderen Legierungen spanabhebend eine äußere Ringnut radial außerhalb der Öffnungen eingearbeitet und anschließend der Verstärkungsring in die Ringnut eingeschrumpft. Dadurch übt die radial innere Ringfläche des Verstärkungsrings Druckspannungen auf das Grundmaterial aus und wirkt Zugspannungen aufgrund des Druckes im Bereich der Öffnung zu dem Hochdruckraum der Anschlussplatte entgegen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das eingepasste Verstärkungselement ein den Hoch- und den Niederdruckraum von innen stützender Verstärkungsring ist, der in die Anschlussplatte radial innerhalb der Öffnungen eingepresst ist und mit seiner radial äußeren Ringfläche Spannungen auf das Grundmaterial in Richtung der radial außen angeordneten Öffnungen ausübt. Dazu werden die Toleranzen für den Verstärkungsring so gewählt, dass bei seinem Einpressen die radial äußere Ringfläche des Verstärkungsrings Druck auf das Grundmaterial in Richtung auf den Bereich der Öffnungen der Anschlussplatte ausübt.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Verstärkungsring radial innerhalb der Öffnungen ein äußerer Lagerring eines die Welle lagernden Wälzlagers der Axialkolbenmaschine ist. Dabei ist dieses Wälzlager in der Anschlussplatte fixiert, wobei der äußere Lagerring mit seiner radial äußeren Ringfläche Spannungen auf das Grundmaterial der Anschlussplatte radial nach außen ausübt. In diesem Fall müssen lediglich die Toleranzen zwischen der radial äußeren Ringfläche des äußeren Lagerrings und der zentralen Aussparung in der Anschlussplatte, die das Wälzlager aufnimmt, so gewählt werden, dass ein Einpressen und damit ein Presssitz des Lagerrings in der Anschlussplatte gewährleistet ist .

Vorzugsweise weisen die Öffnungen in der Anschlussplatte eine Nierenform auf und sind damit bei hoher Druckbeaufschlagung / einer Anschlussplatte aus Aluminiumdruckgusslegierung besonders gefährdet. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Verstärkungsringe können in geradezu idealer Weise an derartige nie- renförmige Öffnungen in der Anschlussplatte angepasst sein.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das eingepasste Verstärkungselement eine Auskleidung des Hochdruckraums mit der zugehörigen Öffnung der Anschlussplatte ist. In dieser Ausführungsform kann durch die Auskleidung des Hochdruckraums aus einem Material, das eine höhere Festigkeit als das umgebende Grundmaterial aufweist, der Nachteil der verminderten Festigkeit des Grundmaterials kompensiert werden, da die Auskleidung die von dem Hochdruck ausgeübten Zugspannungen in hohem Maße aufnimmt. Eine derartige Auskleidung kann als Bauteil vorgefertigt und als Kernstück beim Druckgussverfahren in der Druckgussform angeordnet werden, so dass eine innige Stoffschlüssige Verbindung zwischen Grundmaterial und Auskleidungsmaterial entsteht. Die vorgefertigte Auskleidung kann auch in den Hochdruckraum durch Kleben, Löten oder Schweißen integriert werden. Ferner ist es möglich, durch entsprechende PVD oder CVD-Verfahren (physical oder chemical vapour deposition) auf das Grundmaterial im Bereich des Hochdruckraums und der Öffnung zu dem Hochdruckraum abgeschieden werden.

Neben dem bereits oben mehrfach erwähnten Grundmaterial einer Aluminiumlegierung bzw. einer Aluminiumdruckgusslegierung ist es auch möglich, Kupferlegierungen sowie Aluminiumbronzele- „gierungen als Grundmaterial einzusetzen. Für das Material des eingepassten Verstärkungselements sind vorzugsweise eine E- delstahllegierung wie eine Chrom-Nickel-Stahllegierung oder eine Federstahllegierung vorgesehen. Auch können hier als Material des eingepassten Verstärkungselements spezielle Aluminiumbronzelegierungen hoher Festigkeit eingesetzt werden. Dabei ist es möglich, die Axialkolbenmaschine als hydromechani- sehe Pumpe und/oder als hydromechanisehen Motor vorzusehen.

Ein weiterer praktischer Gedanke ist, das Stahlteil (Schmelzpunkt ca. 1100 ⁰ C) das das Verstärkungselement bildet, mit der Aluminiumplatte (Schmelzpunkt ca. 550 ⁰ C) zu umgießen;

Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine bzw. Anschlussplatten solcher Axialkolbenma- schinen sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Draufsicht auf die Innenseite einer Anschluss- platte einer Axialkolbenmaschine gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel ,

Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Figur 1,

Figur 3 eine Draufsicht auf die Innenseite einer Anschlussplatte einer Axialkolbenmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV aus Figur 3,

Figur 5 eine Draufsicht auf die Innenseite einer Anschluss- platte einer Axialkolbenmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus Figur 5,

Figur 7 einen Längsschnitt durch eine Schrägscheibenaxial- kolbenpumpe mit einer Anschlussplatte ähnlich derjenigen aus den Figuren 3 und 4 und

Figur 8 eine Draufsicht auf die Außenseite der Anschluss- platte aus Figur 7.

Die Axialkolbenmaschine 4, nach den Figuren 7 und 8 ist eine Schrägscheibenmaschine und weist ein topfförmiges Gehäuse 25 auf, an dessen Bodenbereich 29 eine Schrägscheibe 11 schwenkbar gelagert ist. Eine Öffnung 30 des Gehäuses ^* wird von einer Anschlussplatte 7 dicht abgeschlossen, wobei die Anschlussplatte 7 einen Hochdruckraum 9 und einen Niederdruckraum 10 aufweist und ein erstes Wälzlager 21 einer Antriebswelle 24 trägt. Ein zweites Wälzlager 26 ist im Bqdenbereich 29 des Gehäuses 25 angeordnet. Auf der Antriebswelle 24 einer Hydro- pumpe bzw. Abtriebswelle eines Hydromotors ist drehfest eine Trommel 8 angeordnet, die gegenüber der Anschlussplatte 7 mit der Welle 24 rotiert.

In der Trommel 8 sind zylindrische Bohrungen 31 vorhanden, in denen Axialkolben 5, die sich an der Schrägscheibe 11 abstützen, Hubbewegungen ausüben und dabei ein Fluid über einen nicht näher ersichtlichen nierenförmigen Durchbruch in einer Steuerscheibe 12 und über eine in den Figuren 1 bis 6 ersichtliche Öffnung 27 der Anschlussplatte 7 in den Hochdruckraum 9 pressen und aus dem Niederdruckraum 10 über eine in den Figuren 1 bis 6 ersichtliche Öffnung 28 in der Anschlussplatte 7 und über einen ebenfalls nicht näher ersichtlichen weiteren nierenförmigen Durchbruch in der Steuerscheibe 12 ansaugen. Wird eine solche Axialkolbenmaschine als Pumpe betrieben, so wird Druckmittel über den Niederdruckraum angesaugt und in den Hochdruckraum verdrängt . Beim Betrieb als

I

Motor fließt der Maschine über den Hochdruckraum Druckmittel zu, um über den Niederdruckraum abzuströmen. Die Maschine kann auch so ausgebildet sein, dass je nach Betriebsweise der eine Druckraum der Hochdruckraum und der jeweils andere Druckraum der Niederdruckraum ist .

Derartige Axialkolbenmaschinen, die auch Axialkolbenmaschinen genannt werden, können abhängig von der Festigkeit des Grundmaterials 16 der relativ planaren Anschlussplatte 7 auf der Druckseite in dem Hochdruckraum 9 mit Hochdruck von einigen 100 bar bzw. einigen 10 MPa (Megapascal) betrieben werden. Axialkolbenmaschinen mit Axialkolben und Anschlussplatte weisen deshalb üblicherweise eine Anschlussplatte aus Gusseisen auf. In der Regel können Anschlussplatten aus einem Gusseisenmaterial in der Massenfertigung einen Nenndruck weit über 200 bar bzw. weit über 20 MPa erreichen. Axialkolbenmaschinen mit Teilen, zum Beispiel einer Anschlussplatte aus einer Aluminiumdruckgusslegierung hingegen, die gegenüber Gusseisenmaterial einen deutlichen Gewichts- und Kostenvorteil ergeben würde, sind in der Regel nur bei einem Nenndruck unter 200 bar bzw. unter 20 MPa einsetzbar.

Erfindungsgemäß ist nun die Anschlussplatte einer Axialkolbenmaschine überwiegend aus einem Grundmaterial hergestellt, dessen Festigkeit nicht an die von Gusseisen heranreicht, und in Bruch- oder rissgefährdeten Bereichen verstärkt.

Die Anschlussplatte 7 nach den Figuren 1 und 2 wird entsprechend dem Gesamtschnitt der Figur 7 auf ein topfförmiges Gehäuse 25 einer Axialkolbenmaschine aufgesetzt. Dazu weist die Anschlussplatte 7 einen Flansch 36 mit Bohrungen 37, 38, 39 und 40 und eine ringförmige Dichtungsnut 41 auf, welche mit einem Dichtring versehen die Anschlussplatte 7 gegenüber dem in Figur 7 gezeigten Gehäuse 25 druckfest abdichtet.

Den Übergang zwischen den von den in der Trommel angeordneten Axialkolben abgegrenzten Arbeitsräumen bzw. den nierenförmi- gen Durchbrüchen in der Steuerscheibe zu dem Hochdruckraum 9 bildet eine nierenförmige Öffnung 27 und zu dem Niederdruckraum 10 eine nierenförmige Öffnung 28 der Anschlussplatte 7. In diesen Bereichen, insbesondere im Bereich der Öffnung 27 zu dem Hochdruckraum 9, wird das Grundmaterial 16 der Anschlussplatte.7 hoch belastet, so dass Anschlussplatten bloß aus Aluminiumdruckguss oder wie oben beschrieben aus Strang- guss einer Aluminium- oder Kupferlegierung, die eine deutliche Gewichtsersparnis bringen könnten, lediglich einem Druck von kleiner 200 bar bzw. 20 MPa standhalten können. Um nun trotz des Einsatzes eines relativ leichten und einfach in die entsprechende Form zu bringenden Werkstoffs, insbesondere von Aluminiumdruckguss, die Axialkolbenmaschine bei hohen Drücken betreiben zu können, ist die in den Figur 1 und 2 gezeigte Anschlussplatte 7 auf ihrer Unterseite 35 durch entsprechende Verstärkungselemente aus einem Material verstärkt, dessen Festigkeit deutlich über der Festigkeit des Grundmaterials 16 liegt, das zum Beispiel Aluminiumdruckguss ist.

Diese Verstärkungselemente sind möglichst in den Bereichen der höchsten Zug- oder Druckbelastung der Anschlussplatte 7 auf der Unterseite 35 der Anschlussplatte 7 vorgesehen. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 1 bildet ein erstes Verstärkungselement einen Verstärkungsring 13, der in eine Ringnut 14 eingesetzt ist, die außerhalb der nierenförmigen Öffnungen 27 und 28 umläuft. Der Verstärkungsring 13 ist mit seiner inneren Ringfläche 15 gegenüber dem Grundmaterial 16 derart verspannt ist, dass er Druckspannungen auf das Grundmaterial 16 ausübt, welche die Zugspannungen im Bereich der Öffnung 27 zum Hochdruckraum 9 kompensieren.

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist darüber hinaus ein zweites Verstärkungselement eingesetzt, das einen Verstärkungsring 17 bildet, der in eine zentrale Ausnehmung 18 radial innerhalb der nierenförmigen Öffnungen 27 und 28 eingesetzt ist und mit seiner äußeren Ringfläche 19 einen Druck auf das Grundmaterial 16 im Bereich der Öffnungen 27 und 28 ausübt. Mit diesen Verstärkungsringen 13 und 17 hält die Anschlussplatte 7 einem deutlich höheren Druck stand, als sie es tun würde, wenn sie vollständig beispielsweise aus Alumi- niumdruckguss oder Aluminiumstrangguss bestehen würde. Durch einen Verstärkungsring 13 und/oder eines Verstärkungs- ring 17 wird gewährleistet, dass trotz Verwendung von Grundmaterial 16 aus herkömmlichen und bekannten druckgegossenen oder stranggepressten Aluminium- oder Kupferlegierungen ein Betreib einer Axialkolbenmaschine bei sehr hohem Druck möglich ist. Durch den Einsatz eines Druckgussverfahrens kann eine Vielzahl von Anschlussplatten 7 gefertigt werden, . die lediglich eine geringe Nachbearbeitung erforderlich machen, wie das Glätten oder Einbringen der Ringnuten sowie ein Glätten der Unterseite 35 und der Oberseite 42 der Anschlussplatte 7.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 3 und 4 sind Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden teilweise nicht extra erörtert. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird als Verstärkungsring radial innerhalb der nierenförmigen Öffnungen 27 und 28 ein äußerer Lagerring 20 eines schon im Zusammenhang mit der Figur 7 beschriebenes Wälzlagers 21 gebildet, so dass kein entsprechender spezieller Verstärkungsring vorzubereiten ist. Es wird vielmehr das bei einer Vielzahl von Axialkolbenmaschinen in der Anschlussplatte 7 angeordnete Wälzlager 21 benutzt, um mit Hilfe des eingepressten äußeren Lagerrings 20 eine Spannung in das Grundmaterial 16 in Richtung auf die Öffnung 27 zum Hochdruckraum 9 einzubringen.

Das Grundmaterial 16 wird des weiteren wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 von einem Verstärkungsring 13 in einer radial außerhalb der Öffnungen 27 und 28 umlaufenden Ringnut 14 verstärkt, der mit der inneren Ringfläche 15 Druckspannungen auf die Bereiche der Öffnungen zum Hoch- und Niederdruckraum 9 und 10 ausübt. Die Ausführungsform nach den Figuren 5 und 6 unterscheidet sich von den vorhergehenden darin, dass in den Hochdruckraum

9 der Anschlussplatte 7 und im Bereich der Öffnung 27 der Anschlussplatte 7 eine Auskleidung 22 eingesetzt ist, deren Material eine höhere Festigkeit -aufweist als das Grundmaterial 16 der Anschlussplatte 7. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der Anschlussplatte nach den Figuren 5 und 6 wie auch bei den Anschlussplatten nach den anderen Ausführungsbeispielen der Hochdruckraum 9 den Hochdruckanschluss und der Hochdruckraum

10 den Niederdruckanschluss der Axialkolbenmaschine bildet. Dies wird insbesondere dadurch deutlich, dass der Durchfluss- querschnitt im Niederdruckraum 10 wesentlich größer als der Durchflussquerschnitt im Hochdruckraum 9 ist.

Die Auskleidung 22 ermöglicht einen deutlich höheren Druck als es beispielsweise eine bloße Aluminiumdruckgussplatte zu- lässt. Die Auskleidung 22 kann vorgefertigt und als Kernelement, ähnlich einer Kokille, beim Druckguss eingesetzt werden, so dass eine intensive stoffschlüssige Verbindung während des DruckgussVorgangs zwischen Auskleidung 22 und dem Grundmaterial 16 entsteht. Andererseits ist es auch möglich, diese Auskleidung mittels Beschichtungsverfahren in dem druckbeaufschlagten Bereich des Hochdruckraums 9 und der Öffnung 27 einzubringen. Schließlich kann die vorgefertigte Auskleidung 22 auch in eine durch Druckguss gebildete Anschlussplatte 7 eingeklebt, eingelötet oder diffusionsgelötet werden.

Soll die Maschine in beide Drehrichtungen als Pumpe und/oder als Motor betrieben werden können, so werden zweckmäßigerweise beide Druckräume mit einer Auskleidung 22 versehen. Die Druckräume sind dann normalerweise gleich groß. Man kann sie dann so gestalten, die dieselbe Auskleidung für beide Druckräume verwendet werden kann.

Das Material der eingebetteten Verstärkungselemente 13 , 17 und 22 ist vorzugsweise eine Edelstahllegierung, insbesondere eine Chrom-Nickel-Stahllegierung. Es kann ganz allgemein eine Federstahllegierung sein. Denkbar ist als Material auch eine Aluminiumbronzelegierung .

Wird als der eine Verstärkungsring der äußere Lagering eines Wälzlagers verwendet, so ist dieser üblicherweise schon aus einem Material, zum Beispiel aus einem Edelstahl gefertigt, das die Anschlussplatte zu verstärken vermag.