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O+P Fluidtechnik 3/2016

O+P Fluidtechnik 3/2016

PUMPEN UND

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 6 VERSUCH Für das beschriebene Auslegungsverfahren wurden anhand der aufgezeigten Algorithmen quetschöloptimierte Verzahnungen mit dafür angepassten Stegmaßen gefertigt. Ebenso wurden eine nicht quetschöloptimierte Verzahnung mit identischen Leistungsdaten und einer Stegauslegung nach den bisherigen Erkenntnissen (Bild 03) gefertigt. Die quetschöloptimierte Verzahnung mit dem angepassten Steg wird als „Verzahnung neu“ und „Steg neu“ bezeichnet während die nicht quetschöloptimierte Verzahnung mit dem Steg nach bisherigen Auslegungskriterien als „Verzahnung alt“ und „Steg alt“ bezeichnet wird. Um die Auslegungsmaßnahmen verifizieren zu können und den Einfluss auf den Quetschöldruck aufzeigen zu können, wurden die Zahnradpumpen, in denen die Verzahnungen verbaut wurden, mit spezieller Messtechnik ausgestattet [7]. Für die Erfassung des Drucks in einer Zahnlücke während einer kompletten Umdrehung wurde im Zahnfuß des Ritzels ein Miniaturdruck aufnehmer verbaut (Bild 07). Die Daten des Sensors wurden mit der Kabelverbindung an den an der Welle angebrachten Rotor übertragen. Dieser überträgt mittels Telemetrie die Signale über einen Luftspalt an den am Gehäuse angebrachten Stator. Zur Erfassung der Absolutdrücke in der Druck- bzw. Saugtasche wurden piezo resistive Sensoren verwendet. Zusätzlich zu den Drucksignalen wurden die Schallpegel der Pumpen am Prüfstand gemessen. 07 Einbau des Miniaturdruckaufnehmers in das Ritzel 7 AUSWERTUNG Beim Testlauf der beiden Versuchsträger an einem Pumpenprüfstand mit gleichen Bedingungen (Förderdruck: 0…12 bar; Drehzahl: 1 000…3000 min -1 ) wurde immer der zugehörige Quetschöldruck erfasst. Der Quetschöldruck ist definiert als die Druckerhöhung, die sich als relativer Druck über dem absolut anliegenden Förderdruckniveau ergibt. In Bild 08 sind die jeweiligen gemessenen Quetschöldrücke über dem Druck und der Drehzahl als 3D­ Diagramm abgetragen. Es stellte sich eine deutliche Minderung des Quetschöldrucks mit der quetschölfreien Verzahnung und den angepassten Stegkanten ein. Vor allem im unteren Drehzahlbereich konnten Werte

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE und des Stegs mit den aufgezeigten und verifizierten Auslegungsregeln ermöglicht. Eine Optimierung der Verzahnung hinsichtlich eines absoluten Minimums im Verzahnungseingriff muss unter Einhaltung der Anforderungen für das erforderliche Fördervolumen oder die maximale Baugröße stattfinden. Da eine Verzahnung von sehr vielen Parametern abhängt und sich diese unterschiedlich sensitiv auf das Fördervolumen und die Geometrie auswirken, wurde immer nur ein Parameter in dieser Auslegungsstudie festgelegt, der anschließend variiert wurde. Aus den aufgestellten Gleichungen zur Berechnung des Volumenverlaufs ließ sich schließen, dass vor allem der Eingriffswinkel α der Verzahnung einen großen Einfluss auf die veränderlichen Teilflächen von Hohlrad und Ritzel hat. Er dient damit als Optimierungsparameter für die Verzahnungsauslegung, um möglichst eine quetschölfreie Verzahnung zu erhalten. Die Anforderungen für eine Auslegung von Pumpen ergeben sich meistens aus den Fördervolumen oder der Einbaugröße für die Pumpe (Bild 11). Aus diesen Größen lässt sich anhand eines Leitfadens [7,16] eine Grundverzahnung mit wenigen festzulegenden Verzahnungsparametern vorab auslegen, die anschließend über iterative Schleifen und dem Eingriffswinkel α als Parameter hin zu einer quetschölfreien Verzahnung mit Hilfe von HGP-STEG optimiert wird (Bild 11). Dies geschieht immer unter Einhaltung der vorgegeben Leistungsanforderungen an die Pumpe. Die Optimierung erfolgt über ein Kennfeld, das dem Bediener die geometrischen Daten für die Verzahnung und die Steggestaltung ausgibt. Die Eingabedaten und Ausgabedaten werden in HGP-STEG verarbeitet und dargestellt (Bild 11). Anschließend durchlaufen die Daten die Optimierungsschleife zur Festlegung der Verzahnungsparameter einer quetschölfreien Verzahnung. Dabei kann eingesehen werden, welche Veränderungen eines Verzahnungsparameters zu welchen Auswirkungen des Förderverlaufs führen. Die Stegmaße werden am Ende der Schleife als Daten ausgegeben und zusätzlich grafisch dargestellt. wechselkräfte, die eine höhere Schallabstrahlung der Pumpe zur Folge haben. Um diesen Quetschöldruck senken zu können, muss der Fördervorgang mit den genauen geometrischen Verhältnissen der Verzahnung berechnet werden können, um daraus Gestaltungsrichtlinien ableiten zu können. Neben der Bestimmung der Umsteuerkanten im Gehäuse (Steg) ließ sich auch eine quetschölfreie Verzahnung auslegen. Diese hat den Vorteil, dass sie aufgrund geometrischer Volumenverhältnisse im Verzahnungseingriff keinen Quetschöldruck produziert. Aus den berechneten Daten wurden geometrische Auslegungen durchgeführt. Diese wurden in einem Versuchsträger umgesetzt und im Vergleich zu einer Pumpe mit konventionellen Auslegungsregeln bezüglich des Quetschöldruckverlaufs und des Geräuschs vermessen. Es stellte sich über den kompletten Drehzahl- und Förderdruckbereich der Versuchsreihe eine Minderung des Quetschöldrucks ein. Zusätzlich wurden Schallpegelmessungen mit beiden Versuchsträgern ausgeführt. Die neu ausgelegte Verzahnung erreichte dabei im Mittel eine Senkung der Schallabstrahlung um 8,5 dB(A). Die erarbeiten Berechnungsverfahren wurden in einem Programm HGP-STEG eingebettet. Mit Hilfe dieses Programms ist es dem Anwender bereits in der Konzeptphase möglich durch die Eingabe der Betriebsparameter und der maximalen Baugröße eine Pumpe mit Geräuschminderungsmaßnahmen auszulegen. Dieses Verfahren ermöglicht es zudem eine Einsparung hinsichtlich des Versuchsaufwands zu erreichen, da kosten- und zeitintensive Versuchsschleifen durch die vorangegangene Optimierung eingespart werden können. Die gewonnenen Ergebnisse sind bei der Auslegung einer Pumpe umgesetzt worden, die in Automatikgetrieben für Nutzfahrzeuge zum Einsatz kommt. Dadurch konnten angestrebte Geräusch senkungen dieser Aggregate gezielt erreicht werden. Autoren: Dr.-Ing. Steffen Schwarzer, BOSCH Automotive Steering GmbH; Prof. Dr.-Ing. Tillmann Körner, Hochschule für Technik und Wirtschaft Aalen 11 Auslegungsablauf und Arbeitsweise des Programmmoduls HGP-STEG 9 ZUSAMMENFASSUNG Dieser Beitrag zeigt ein geometrisches Berechnungsverfahren für Verzahnungen und Gehäusegestaltungen für Innenzahnradpumpen unter dem Aspekt der Reduzierung von Drucküberhöhungen (Quetschöldrücke) und einer Reduzierung der Schallpegel auf. Es wurde dargelegt, dass die Auslegungsregeln zur Steggestaltung für Außenzahnradpumpen nicht übertragbar sind. Der Quetschöldruck in der Pumpe führt zu höheren Lagerbelastungen aber vor allem auch zu einer Erhöhung der Druck- Literatur: [1] Findeisen, D. Methodisches Auswählen bewährter Lösungskomponenten – Anwendungsbeispiel: Verdrängereinheiten für hydrostatische Antriebe, Konstruktion, 1995, Nr. 47, S. 79-85 [2] Fiebig W. Hydraulisch bedingte Wechselkräfte in Außen- und Innenzahnradpumpen und deren Vergleich, Ölhydraulik und Pneumatik 41, 1997, Nr. 11-12, S. 809-813 [3] Morlok, J. Geräuschminderung bei Hochdruckkonstantpumpen, Dissertation Universität Stuttgart, 1980 [4] Link, B. Untersuchung der Förderstrom- und Druckpulsation von spaltkompensierten Außenzahnradpumpen, Fortschrittsberichte VDI Reihe 1, 1986, Nr. 137 [5] Richter, H. Theoretische Förderstrom- und Quetschraumuntersuchungen an Zahnradpumpen, Technischer Informationsdienst Hydraulik, 1962, Nr. 2, S. 48-53 [6] Gutbrod, W. Die Druckpulsation von Außen- und Innenzahnradpumpen und deren Auswirkungen auf das Pumpengeräusch, Dissertation Universität Stuttgart, 1974 [7] Schwarzer, S. Optimierung der Auslegung und des Betriebsverhaltens von hohlradgetriebenen Innenzahnradpumpen, Dissertation Universität Ilmenau, 2013 [8] Fiebig, W. Location of Noise Sources in Fluid Power Machines, International Journal of Occupational Safety and Ergonomics (JOSE) 2007, Vol. 13, No. 4, S. 441-450 [9] Fiebig W. Schwingungen und dynamische Belastungen in Außenzahnradpumpen, Ölhydraulik und Pneumatik 34, 1990, Nr. 11, S. 775-784 [10] Link, B. Förderstrompulsation von Außenzahnradpumpen, O + P, 1986 [11] Schwuchow, D. Sonderverzahnungen für Zahnradpumpen mit minimaler Volumenpulsation, Dissertation Universität Stuttgart, 1996 [12] Richter, H. Theoretische Förderstrom- und Quetschraumuntersuchungen an Zahnradpumpen, Technischer Informationsdienst Hydraulik, 1962, Nr. 2, S. 48-53 [13] Linke, H. Stirnradverzahnung, Carl Hanser Verlag München Wien, 2010 [14] Wustmann W. Experimentelle und numerische Untersuchung der Strömungsvorgänge in hydrostatischen Verdrängereinheiten am Beispiel von Außenzahnrad- und Axialkolbenpumpe, Dissertation Universität Dresden, 2009 [15] Strasser, D. Einfluss des Zahnflanken- und Zahnkopfspieles auf die Leerlaufverlustleistung von Zahnradgetrieben, Dissertation Universität Bochum, 2006 [16] Ivantysyn, J., Ivantysyn, M. Hydrostatische Pumpen und Motoren, Vogel Verlag Würzburg, 1993 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016 67

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