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O+P Fluidtechnik 3/2016

O+P Fluidtechnik 3/2016

PUMPEN UND

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED LEISE INNENZAHNRADPUMPEN DURCH REDUZIERUNG VON „QUETSCHÖL“ – THEORETISCHE UND EXPERIMENTELLE BETRACHTUNGEN Dr.-Ing. Steffen Schwarzer, Prof. Dr.-Ing. Tillmann Körner Lärmvermeidung an Maschinen und Fahrzeugen ist heutzutage wichtiger denn je. Gerade Zahnradpumpen, die in Ölkreisläufen von solchen Kraft- und Arbeitsmaschinen verbaut sind, bilden für die Geräuschminderung ein Potenzial. Hinsichtlich dazu gibt es im Gegensatz zu Außenzahnradpumpen für Innenzahnradpumpen kaum allgemein gültige Auslegungsregeln. Über einen in diesem Beitrag neu definierten Berechnungsansatz werden geräuschmindernde Aspekte in Form einer parametergestützten Auslegung offengelegt. Dadurch verringern sich die Anzahl von Versuchsträgern und der Simulationsaufwand und es lässt sich somit eine wirtschaftliche Entwicklung realisieren. 62 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE 1 EINFÜHRUNG Mobil- und stationär-hydraulische Anlagen sind im Maschinenbau weit verbreitet. Zur Erzeugung der hydraulischen Volumenströme und Drücke, die für die Kraft- und Momentenübertragung, Füllungen und Leerungen von Wandlern sowie für Schmierungsfunktionen benötigt werden, sind in diesen Anlagen hydraulische Pumpen verbaut. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres einfachen Aufbaus werden dazu häufig Zahnradpumpen verwendet. Diese gliedern sich im Wesentlichen in die Bauformen der Außenzahnrad- und Innenzahnradpumpe auf. Außenzahnradpumpen sind durch ihren Aufbau und die größere Anzahl gleicher Teile günstiger als Innenzahnradpumpen und daher weiter verbreitet [1]. Innenzahnradpumpen zeichnen sich wiederum durch geringere Geräuschemissionen infolge einer systemisch bedingten anderen Verdrängung gegenüber Außenzahnradpumpen aus [2]. Durch verschärfte Restriktionen und Gesetzesvorschriften sowie die größere Sensibilisierung gegenüber Lärm werden aber stets neue Wege gesucht, die Schallpegel weiter zu senken. Hierfür gibt es für Außenzahnradpumpen einige theoretische und experimentelle Untersuchungen, die geometrische Gestaltungsvorschläge enthalten. Diese Erkenntnisse werden in der Literatur pauschal auf Innenzahnradpumpen übertragen. Es fehlen jedoch entsprechende experimentelle Validierungen und in praktischen Anwendungen stellten sich auch nicht die gewünschten Erfolge ein [3, 4, 5, 6]. In diesem Beitrag wird ein Berechnungsverfahren dargelegt, das geometrische Gestaltungen für Geräuschminderungsmaßnahmen für Innenzahnradpumpen ausgibt [7]. Das Verfahren kann vom Konstrukteur als Gestaltungsrichtlinie aufgefasst werden. Die Erläuterungen und die Ergebnisse werden an einer neuartig angetriebenen Innenzahnradpumpe ausgearbeitet und verifiziert. Die Antriebsweise am Hohlrad statt am außenverzahnten Ritzel kann auch als Geräuschminderungsmaßnahme betrachtet werden. Eine solche Pumpe erlaubt es zusätzlich die konventionell gesehenen höheren Herstellungskosten von Innenzahnradpumpen aufgrund der teuren Hohlradfertigung durch ein geändertes Antriebskonzept auf das Niveau der Außenzahnradpumpen zu senken. Man verbindet somit die Ziele der Geräuschminderung mit der Kostenneutralität gegenüber Außenzahnradpumpen. Bevor auf das Berechnungssystem und dessen Verifizierung eingegangen wird, wird zunächst der Aufbau und die Funktionsweise sowie die Geräuschentstehung bei Innenzahnradpumpen vorgestellt. 2 AUFBAU, FUNKTIONSPRINZIP UND DRUCKVERLAUF EINER INNENZAHNRADPUMPE Im Wesentlichen baut sich die hohlradgetriebene Innenzahnradpumpe über das Innenzahnrad-Pumpengehäuse, die Achse mit Ritzellagerung und Ritzel sowie das Pumpenhohlrad mit dem Hohlrad- Antriebszahnrad und dem Pumpendeckel auf. Bei der zusammengebauten Pumpe ragt die Antriebsverzahnung des Hohlrads radial aus dem Pumpengehäuse heraus mit dem die Pumpe mit Hilfe eines weiteren Stirnrads angetrieben wird (Bild 01A). Über diesen Antrieb werden das Hohlrad und das Ritzel in eine gleichgerichtete Dreh bewegung versetzt. Ausgehend von der Nullstellung (Bild 01A, Detailansicht Z), die definiert ist, wenn ein Ritzelzahn in eine Hohlradlücke eingreift, werden die Funktionsabschnitte und der Druckverlauf über eine Umdrehung von 360° an einem Pumpenrad erläutert. Indem sich im Betrieb der Pumpe der Ritzelzahn in der Detailansicht Z des Bildes 01A aus der Hohlradlücke bewegt, vergrößert sich das Volumen der einzelnen Zahnkammer. Das Fördermedium kann vom Ölsumpf über den Saugstutzen und die Saugtasche in den Pumpenraum mit dem dort herrschenden Saugdruck p s einströmen (Bild 01A und Bild 01B). Im weiteren Drehverlauf, nach der im Bild 01 eingetragenen Drehrichtung, werden die mit dem Medium gefüllten Zahnlücken an der Sichel über die Zahnköpfe und den sich dort einstellenden radialen Spalt abgedichtet. Zudem findet eine axiale Abdichtung der Zahnlücken über die Stirnseite des Gehäuses und des Pumpendeckels statt. Da die in Drehrichtung gelegenen Zahnlücken durch die Abdichtungen wie hintereinander geschaltete Drucktaschen wirken und sich an der letzten Tasche ein Förderdruck p D durch einen Verbraucher einstellt, kumulieren sich die Partialdrücke in den Zahnlücken stufenartig. Dies geschieht solange bis die Zahnlücken am Ende der Sichel eine Berührung mit der Drucktasche mit dem Förderdruck p D haben. Dieser Vorgang wird als erster Umsteuervorgang bezeichnet und liegt zwischen Punkt 1 und Punkt 2 nach Bild 01A und Bild 01B, da der Druck hierbei vom Niederdruck- zum Hochdruckniveau angepasst wird und gleichzeitig beide Bereiche durch die Spaltabdichtung voneinander getrennt werden. Haben die Zahnlücken die Drucktasche überstreift, beginnt die eigentliche Verdrängung durch das Ineinandergreifen der Zähne. In den Zahnlücken wird durch das Eintauchen des Zahns des Gegenrads das Medium verdrängt und über den Druckstutzen in die Druckleitung und schließlich zum angeschlossenen Verbraucher gefördert. Am sogenannten Steg (Bild 01A) werden die Zahnlücken erneut abgedichtet. Ein radiales Ausströmen verhindern an dieser Stelle die Flanken im Verzahnungseingriff. Das axiale Ausströmen wird durch die axialen Stegflächen, die durch die Kanten begrenzt sind, verhindert. Dieser sogenannte zweite Umsteuer vorgang zwischen Punkt 3 und Punkt 4. Nach Bild 01A und Bild 01B trennt hierbei wiederum erneut die Druck- und die Saugseite voneinander. Ab der Ansaugung wiederholt sich anschließend der Förderfunktionskreislauf der Pumpe erneut. Der Druckverlauf in der Pumpe (Bild 01B) wird vornehmlich durch die geometrische Gestaltung der Saug- und Drucktasche, der Verzahnungsgeometrie und des Stegs bestimmt. 01 A) Konstruktiver Aufbau der hohlradgetriebenen Innenzahnradpumpe mit Innenkontur und Darstellung der Umsteuerpunkte; B) Druckverlauf in der Zahnkammer mit Umsteuerpunkten O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016 63

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