DE4424671A1 - Steuerspiegel einer hydraulischen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerspiegel einer hy­ draulischen Maschine mit einem Kern, der zumindest auf seiner im Betrieb an einer Zylindertrommel anliegenden Oberseite mit einer Schicht aus einem reibungsvermin­ dernden Kunststoff bedeckt ist und der mindestens zwei Steueröffnungen aufweist.

Die Steueröffnungen werden in der Regel als Steuernie­ ren, die gegebenenfalls in verschiedene, voneinander getrennte Abschnitte aufgeteilt sind, ausgebildet.

Bei Kolbenpumpen, wie sie beispielsweise aus DE-AS 12 67 985 bekannt sind, muß der Zylinderkörper mit ei­ nem relativ großen Druck gegen den Steuerspiegel ge­ preßt werden, um den Übergang von den Zylindern zum Steuerspiegel möglichst dicht zu halten. Je größer die Undichtigkeiten in diesem Bereich sind, desto größer sind die Leckagen, was sich negativ auf den volumetri­ schen Wirkungsgrad der Maschine auswirkt. Aufgrund des hohen Drucks wirken erhebliche Reibungskräfte auf die Kontaktfläche, die ohne zusätzlichen Maßnahmen relativ schnell zum Verschleiß oder sogar zur Zerstörung der Maschine führen. Dieser Erscheinung kann teilweise da­ durch begegnet werden, daß die Kontaktfläche geschmiert wird, um die Reibung zu vermindern. Hierzu wird die Hydraulikflüssigkeit verwendet. Dies setzt jedoch vor­ aus, daß die Hydraulikflüssigkeit in ausreichendem Maße schmierende Eigenschaften besitzt. Durch diese Bedin­ gung wird der Kreis der verwendbaren Hydraulikflüssig­ keiten erheblich eingeschränkt. Flüssigkeiten, die aus­ reichende Schmierungseigenschaften aufweisen, sind je­ doch unter dem Gesichtspunkt der Umweltbelastbarkeit vielfach nicht unbedenklich, insbesondere dann, wenn es sich um synthetische Öle handelt.

Aus diesem Grunde ist es bei einer Maschine der ein­ gangs genannten Art, die für Wasser eingesetzt werden soll, bekannt (JP 2-125 979 A), zwischen dem Steuer­ spiegel und dem Zylinderkörper eine Kunststoffschicht anzuordnen, die auf die aufgerauhte Kontaktfläche auf­ geklebt wird. Hierzu sind jedoch eine Vielzahl von Ar­ beitsschritten erforderlich. Auch läßt sich eine zuver­ lässige Befestigung der Kunststoffschicht am Zylinder­ körper bzw. am Steuerspiegel nicht immer gewährleisten. Insbesondere besteht die Gefahr, daß unter Druck ste­ hende Hydraulikflüssigkeit zwischen die Kunststoff­ schicht und den Steuerspiegel bzw. den Zylinderkörper gelangt und die Schicht zumindest partiell ablöst. Dies führt sehr schnell zu einer schweren Beschädigung der Maschine.

Ferner ist es aus DE 16 53 529 B2 bekannt, eine Steuer­ spiegelscheibe mit Einsätzen aus Kohlenstoff zu verse­ hen, die als geradlinige Leisten ausgebildet sind, um die Reibung zwischen dem Zylinderkörper und der Steuer­ spiegelscheibe herabzusetzen. Hierbei ist es jedoch schwierig, den Steuerspiegel und die Stirnfläche des Zylinderkörpers dicht genug aneinander zu halten, so daß hier erhebliche Leckagen auftreten können.

Ferner ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 43 01 133 eine hydraulische Kolbenma­ schine mit einem Steuerspiegel bekannt, der mit einer Kunststoffschicht versehen ist. Die Kunststoffschicht ist durch ein Spritzgießverfahren hergestellt. In einer Ausführungsform umkleidet sie den Kern des Steuerspie­ gels vollständig, d. h. sie ist auch durch die Steuer­ nieren hindurchgeführt. Hierdurch kann man eine seitli­ che Bewegung der Kunststoffschicht in Bezug zum Kern weitgehend verhindern.

Es hat sich nun jedoch herausgestellt, daß bei Steuer­ spiegeln dieser Art ein gewisses Problem dann auftritt, wenn beim Anbringen der Kunststoffschicht am Kern Luft zwischen Kern und Kunststoff eingeschlossen wird oder der Kunststoff aus anderen Gründen nicht vollkommen dicht am Kern zu liegen kommt. Der mit dem Kunststoff versehene Kern wird nämlich üblicherweise nach dem An­ bringen des Kunststoffs bearbeitet, wobei vielfach nur noch die Kunststoffschicht, genauer gesagt deren Ober­ fläche, bearbeitet werden muß. Die Oberflächenbearbei­ tung kann beispielsweise durch Fräsen erfolgen. An den Stellen, wo der Kunststoff durch Luft oder andere Ein­ schlüsse vom Kern getrennt ist, liegt er nicht nur nicht mehr am Kunststoff an. Er haftet dort auch nicht mehr am Kunststoff. Beim Spritzgießen ergibt sich nor­ malerweise eine Art Klebe- oder Haftverbindung zwischen dem Kern und der Kunststoffschicht. Wenn Luft einge­ schlossen wird, kann dies bei der mechanischen Bearbei­ tung dazu führen, daß der Kunststoff etwas angehoben wird, weil sich in dem Luftvolumen ein Unterdruck bil­ den kann. Die nach dem Bearbeiten fertiggestellte äuße­ re Form stimmt dann zwar mit der gewünschten Form über­ ein. Eine Kontrolle nach der Produktion ergibt auch keinen Fehler. Die Rückstellkräfte im Kunststoff sind unter Umständen nicht groß genug, um die Verformung rückgängig zu machen. Im Betrieb hingegen, wo am Steu­ erspiegel ein relativ großer Druck herrscht, der bis zur Größe des Betriebsdrucks der hydraulischen Maschine ansteigen kann, wird der Kunststoff dann durch äußere Kräfte wieder gegen den Kern gedrückt, so daß die ur­ sprüngliche Verformung wieder rückgängig gemacht wird. Dann stimmt die äußere Form des Steuerspiegels aber nicht mehr mit der Form überein, die nach der Bearbei­ tung vorhanden war. Es ergeben sich Leckagen, die ein tolerierbares Maß überschreiten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Steuer­ spiegel anzugeben, der mit größerer Zuverlässigkeit gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Steuerspiegel der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Kunststoff mit dem Kern mit Hilfe mindestens eines Verbindungselements verbunden ist, das durch Formschluß mit dem Kunststoff und/oder dem Kern Zugkräfte im wesentlichen senkrecht zur Oberseite aufnimmt.

Durch diese Ausbildung wird beim Anbringen des Kunst­ stoffs an den Kern, beispielsweise durch ein Spritz­ gießverfahren, bereits eine mechanische Verbindung zwi­ schen dem Kern und der Kunststoffschicht geschaffen, die sich nicht mehr auf ein reines "Kleben" beschränkt. Vielmehr ergibt sich hier ein Formschluß, der auch grö­ ßere Zugkräfte, wie sie bei der anschließenden Bearbei­ tung auftreten können, aufnehmen kann. Selbst in dem ungünstigen Fall, daß ein Teilbereich des Kunststoffs nicht mit der notwendigen Stärke an dem Kern anhaftet, wird durch diese Ausgestaltung dafür gesorgt, daß sich der Kunststoff beim Bearbeiten nicht vom Kern abheben kann. Nach dem Bearbeiten ergibt sich daher die ge­ wünschte Geometrie oder Form des Steuerspiegels, die sich auch beim anschließenden Einsatz in der hydrauli­ schen Maschine nicht mehr verändert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Verbindungselement einstückig mit dem Kunststoff ausgebildet ist. Das Verbindungselement läßt sich dann auf einfache Art und Weise gleichzeitig mit dem Anbrin­ gen der Kunststoffschicht mit dem Kern verbinden. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kunststoff an den Kern angegossen wird, beispielsweise durch ein Spritzgieß­ verfahren.

Vorzugsweise weist das Verbindungselement eine Verbrei­ terung auf, die an einer am Kern ausgebildeten Fläche anliegt, die zumindest eine Komponente aufweist, die im wesentlichen parallel zur Oberseite verläuft. Die Ver­ breiterung hintergreift damit den Kern. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise ein Formschluß sicherge­ stellt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das Verbindungs­ element den Kern in einer Durchgangsöffnung durchsetzt und die Fläche an der Unterseite des Kernes angeordnet ist. Das Verbindungselement ist damit nach Art eines Niets ausgeführt, der den Kern durchsetzt. Der "Schließkopf" des Niets befindet sich damit an der Un­ terseite des Kerns. Eine so realisierte Verbindung kann relativ große Zugkräfte aufnehmen.

Auch ist bevorzugt, daß die Verbreiterung durch eine Schicht des Kunststoffs gebildet ist, die die Untersei­ te zumindest bereichsweise bedeckt. In vielen Fällen wird der Kern des Steuerspiegels vollständig mit dem Kunststoff ummantelt sein. Das Verbindungselement schafft dann eine zusätzliche mechanische Verbindung zwischen der Oberseite und der Unterseite, hält also den Kunststoff nicht nur an der Oberseite, sondern auch an der Unterseite mit hoher Zuverlässigkeit in Anlage an den Kern. Gerade in diesem Fall kann man die verbes­ serte Befestigung des Kunststoffs am Kern problemlos bereits dadurch realisieren, daß vor dem Angießen des Kunststoffs an den Kern der Kern mit Durchgangsöffnun­ gen, im einfachsten Fall mit Bohrungen, versehen wird.

Vorzugsweise ist die lichte Weite der Durchgangsöffnung größer als die Dicke der Schicht. Die lichte Weite ist bei einer zylinderförmigen Bohrung gleich dem Durchmes­ ser. Ein spritzgegossener Kunststoff zieht sich beim Aushärten etwas zusammen. Dieser Schwund ist abhängig von dem Volumen des aushärtenden Kunststoffs. Wenn nun ein relativ größeres Volumen aushärtet, zieht es sich stärker zusammen als ein kleines, wobei der Schwund im allgemeinen lediglich wenige Prozent beträgt. Da das Verbindungselement aber an der Kunststoffschicht befe­ stigt ist, bewirkt dieses Zusammenziehen ein dichteres Heranziehen der Kunststoffschicht an den Kern und damit eine verbesserte Anlage mit einer höheren Haltekraft.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist der Kern eine mit einer Hinterschneidung versehene Ausneh­ mung auf, in die das Verbindungselement eingreift. Die­ se Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aus irgendwelchen Gründen der Kern nicht mit einer Durchgangsbohrung versehen werden kann. Auch eine Aus­ nehmung mit einer Hinterschneidung kann die Befesti­ gungsfunktion mit der notwendigen Zuverlässigkeit er­ füllen. Auch hier ergibt sich der gewünschte Form­ schluß.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß das Verbindungs­ element schwalbenschwanzförmig ausgebildet ist. Die komplementäre Schwalbenschwanzausnehmung im Kern läßt sich relativ leicht herstellen, beispielsweise durch Fräsen.

Vorzugsweise ist das Verbindungselement in einem Be­ reich in Umfangsrichtung zwischen den Steuernieren an­ geordnet. Dort ist die Gefahr der Leckage am größten. Im Bereich der Steuernieren selbst nimmt man eine ge­ wisse Leckage durchaus in Kauf, beispielsweise um den Steuerspiegel dort zu kühlen. Hingegen wird der Bereich zwischen den Steuernieren durch das Verbindungselement so ausgestaltet, daß er mit ausreichender Präzision gefertigt werden kann. Leckagen werden hier weitgehend vermieden.

Vorzugsweise weist die Schicht in einem innerhalb des Kreisringes, in dem auch die Steuernieren liegen, lie­ genden Bereichs eine vergrößerte Dicke auf und das Ver­ bindungselement ist in dem Bereich vergrößerter Dicke angeordnet. Lediglich der Bereich der vergrößerten Dicke muß mit der notwendigen Genauigkeit gefertigt sein. Es reicht daher aus, sicherzustellen, daß dieser Bereich richtig an dem Kern des Steuerspiegels anliegt und sich beim Bearbeiten nicht abheben kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Steuerspiegel,

Fig. 2 einen Schnitt II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt III-III nach Fig. 1 und

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung eines Steuerspiegels ausschnittsweise im Schnitt.

Ein Steuerspiegel 1 weist einen Kern 2 auf, der in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Der Kern ist aus Metall, beispielsweise Stahl gebildet. Er ist mit einem rei­ bungsvermindernden Kunststoff 3 vollständig ummantelt. Der Steuerspiegel 1 weist zwei Steuernieren 4, 5 auf. Der Kunststoff 3 ist durch diese Steuernieren 4, 5 hin­ durchgeführt, d. h. er kleidet ihre Innenwände aus, so daß hier keine Spalte zwischen dem Kunststoff 3 und dem Kern 2 gebildet sind.

Der Kunststoff 3 weist in einem Kreisring 6, in dem auch die Steuernieren 4, 5 liegen, einen Bereich 7 mit einer vergrößerten Dicke auf. In diesem Bereich 7 liegt im Betrieb eine Zylindertrommel einer hydraulischen Axialkolbenmaschine an, die sich relativ zum Steuer­ spiegel 1 dreht.

Der Kunststoff 3 wird um den Kern 2 des Steuerspiegels 1 herumgegossen, beispielsweise mit Hilfe eines Spritz­ gußverfahrens. Dieses Gießverfahren reicht normalerwei­ se aus, um den Kunststoff 3 am Kern 2 mit der notwendi­ gen Festigkeit und Zuverlässigkeit anhaften zu lassen. Hin und wieder kommt es aber vor, daß sich beim Gießen Lufteinschlüsse zwischen dem Kunststoff 3 und dem Kern 2 bilden. Diese Lufteinschlüsse verhindern das Anhaften des Kunststoffs 3 am Kern 2, so daß er bei einer nach­ folgenden Bearbeitung seiner Oberfläche vom Kern abge­ hoben werden kann. Die Bearbeitung, beispielsweise ein Abfräsen, entfernt dann zuviel Material. Dies wird bei einer normalen Ausgangskontrolle vielfach gar nicht festgestellt, weil sich der Kunststoff bei der Bearbei­ tung plastisch verformt, also nicht wieder in seine Ausgangsstellung zurückfedert. Diese Zurückverformung erfolgt erst bei dem Einsatz des Steuerspiegels unter höheren Drücken, wie sie beispielsweise in einer hy­ draulischen Maschine auftreten.

Um das Abheben des Kunststoffs 3 von dem Kern 2 während der Bearbeitung zu verhindern, sind in dem Bereich 7 vergrößerter Dicke Verbindungselemente 8 vorgesehen, die in der Ausgestaltung nach Fig. 3 nach Art eines Niets den Kern 2 durchsetzen und zwar in Bohrungen 9. Die Verbindungselemente 8 verbinden dann den Kunststoff 3 auf der Oberseite O mit dem Kunststoff 3 auf der Un­ terseite U. Sie sind in der Lage, auch größere Zugkräf­ te aufzunehmen, so daß ein Abheben des Kunststoffs 3 bei einer Bearbeitung verhindert wird.

Auch wenn an der Unterseite U kein Kunststoff 3 vorge­ sehen ist, kann man dafür sorgen, daß sich die Verbin­ dungselemente 8 dort so verbreitern, daß sie eine Art Niet bilden. Die Verbreiterung am Ende der Verbindungs­ elemente 8 hintergreift dann den Kern 2, so daß sich ein Formschluß des Verbindungselements 8 mit dem Kern 2 ergibt. Mit dem Kunststoff an der Oberseite O sind die Verbindungselemente 8 einstückig verbunden. Sie können besonders einfach dadurch hergestellt werden, daß der Kern vor dem Angießen des Kunststoffs mit den notwendi­ gen Bohrungen 9 versehen wird. Die Verbindungselemente 8 ergeben sich dann beim Gießen von selbst.

Der Durchmesser der Bohrung 9, oder falls eine von der Zylinderform abweichende Durchgangsöffnung verwendet wird, deren lichte Weite, ist größer als die Dicke des Kunststoffs 3 und zwar auch größer als die Dicke im verdickten Bereich 7. Wenn der Kunststoff beim Aushär­ ten schrumpft, werden die Verbindungselemente 8 etwas stärker schrumpfen als die Schicht des Kunststoffs 3 an der Oberseite. Hierdurch wird der Kunststoff 3 an der Oberseite O mit höherer Festigkeit an den Kern 2 her­ angezogen.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der Elemente, die denen der Fig. 1 bis 3 entsprechen, ge­ strichen sind. Hier weist der Kern 2′ keine Durchgangs­ bohrung auf, sondern an seiner Oberseite O und an sei­ ner Unterseite U jeweils schwalbenschwanzförmig ausge­ bildete Ausnehmungen 10, 11, d. h. Ausnehmungen mit Hin­ terschneidungen, die durch geneigte Seitenwände gebil­ det sind. In diese Ausnehmungen greifen Verbindungsele­ mente 8′ des Kunststoffs 3′ ein. Diese haben ebenfalls die Form eines Schwalbenschwanzes, d. h. sie erweitern sich in Richtung auf das Innere des Kernes zu nach au­ ßen. Auch hierdurch entsteht ein Formschluß. Die Aus­ nehmungen 10, 11 und die Verbindungselemente 8′ haben jeweils Flächenkomponenten, die im wesentlichen paral­ lel zur Oberseite O bzw. zur Unterseite U verlaufen. Auch hierdurch kann ein Abheben des Kunststoffs 3′ vom Kern 2′ mit großer Zuverlässigkeit verhindert werden, selbst wenn Zugkräfte hier angreifen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Verbindungs­ elemente 8 in dem Bereich zwischen den Steuernieren 4, 5 angeordnet. Dies ist der Bereich, der am stärksten gefährdet ist. Hier muß auch die Fertigung mit der größten Präzision erfolgen. Anstelle der in Fig. 1 dar­ gestellten nietförmigen Verbindungselemente 8 können an dieser Stelle auch die in Fig. 4 dargestellten Schwal­ benschwanzverbindungen verwendet werden. Selbstver­ ständlich können die Verbindungselemente auch in dem Bereich zwischen den Steuernieren 4, 5 und dem radialen Außenrand des Steuerspiegels 1 verwendet werden, wenn dies erforderlich ist.

Die Eigenschaft "reibungsvermindernd" des Kunststoffs 3 bezieht sich immer auf das Material, mit dem der Steu­ erspiegel später zusammenarbeiten soll. Dies ist in der Regel ein Metall, aus dem die Zylindertrommel gefertigt ist. Durch eine geeignete Werkstoffpaarung lassen sich hier Reibungswerte erzielen, die durchaus mit den Wer­ ten einer ölgeschmierten Kontaktfläche vergleichbar sind oder diese sogar noch übertreffen. Als Kunststoff für das Spritzgußteil kommen insbesondere Werkstoffe aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunst­ stoffe auf der Basis von Polyaryletherketonen, insbe­ sondere Polyetheretherketonen, Polyamiden, Polyaceta­ len, Polyarylether, Polyethylenterephtalaten, Polyphe­ nylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Poly­ etherimiden, Polyamidimid, Polyacrylaten, Phenol-Har­ zen, wie Novolack-Harzen, oder ähnliches in Betracht, wobei als Füllstoffe Glas, Graphit, Polytetrafluorethy­ len oder Kohlenstoff, insbesondere in Faserform, ver­ wendet werden können. Bei Verwendung derartiger Mate­ rialien läßt sich auch Wasser als Hydraulikflüssigkeit verwenden.

Claims (10)

1. Steuerspiegel einer hydraulischen Maschine mit ei­ nem Kern, der zumindest auf seiner im Betrieb an einer Zylindertrommel anliegenden Oberseite mit einer Schicht aus einem reibungsvermindernden Kunststoff bedeckt ist und der mindestens zwei Steueröffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (3) mit dem Kern (2) mit Hilfe mindestens eines Verbindungselements (8, 8′) ver­ bunden ist, das durch Formschluß mit dem Kunststoff (3) und/oder dem Kern (2) Zugkräfte im wesentlichen senkrecht zur Oberseite (O) aufnimmt.

2. Steuerspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verbindungselement (8, 8′) einstückig mit dem Kunststoff (3, 3′) ausgebildet ist.

3. Steuerspiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verbindungselement (8, 8′) eine Verbreiterung aufweist, die an einer am Kern (2, 2′) ausgebildeten Fläche anliegt, die zumindest eine Komponente aufweist, die im wesentlichen par­ allel zur Oberseite (O) verläuft.

4. Steuerspiegel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verbindungselement (8) den Kern (2) in einer Durchgangsöffnung (9) durchsetzt und die Flä­ che an der Unterseite (U) des Kernes (2) angeordnet ist.

5. Steuerspiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbreiterung durch eine Schicht des Kunststoffs (3) gebildet ist, die die Unterseite (U) zumindest bereichsweise bedeckt.

6. Steuerspiegel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichte Weite der Durchgangs­ öffnung (9) größer als die Dicke der Schicht (3) ist.

7. Steuerspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2′) eine mit einer Hinterschneidung versehene Ausnehmung (10, 11) aufweist, in die das Verbindungselement (8′) eingreift.

8. Steuerspiegel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verbindungselement (8′) schwalben­ schwanzförmig ausgebildet ist.

9. Steuerspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (8) in einem Bereich in Umfangsrichtung zwischen den Steuernieren (4, 5) angeordnet ist.

10. Steuerspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (3) in ei­ nem innerhalb des Kreisringes (6), in dem auch die Steuernieren (4, 5) liegen, liegenden Bereichs (7) eine vergrößerte Dicke aufweist und das Verbin­ dungselement (8) in dem Bereich (7) vergrößerter Dicke angeordnet ist.