Aufrufe
vor 1 Jahr

O+P Fluidtechnik 3/2016

O+P Fluidtechnik 3/2016

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE VERSTELLPRINZIPE BEI HYDROSTATISCHEN PUMPEN – ÜBERSICHT ZUM STAND DER TECHNIK Dipl.-Ing. Karl Hartmann, Prof. Dr. Ludger Frerichs Geregelte hydrostatische Pumpen sind inzwischen in allen Anwendungen von Hydraulik systemen und in allen Leistungs bereichen anzutreffen. Die Vielfalt der Lösungsmöglichkeiten ist dabei groß, wie auch die Anforderungskonflikte, die sich teilweise in den einzelnen Anwendungen ergeben. In diesem Fachbeitrag wird auf dem Wege einer Funktionsanalyse eine allgemeine Übersicht möglicher Verstellprinzipe hergeleitet. 68 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE 1 EINLEITUNG Das Bestreben, den Energiebedarf von Hydrauliksystemen immer weiter zu senken, führt dazu, dass auch in Anwendungen kleiner Leistung vielfach Verstellpumpen zum Einsatz kommen. Als Beispiel sind Systeme in Verbrennungsmotoren und Fahrzeuggetrieben zu nennen, sei es zur Schmierölversorgung oder für den Betrieb von z. B. Schaltaktuatoren. Die Lösungsvielfalt ist generell groß und gestaltet sich unterschiedlich für einzelne Pumpenbauarten. Um den vielfältigen Anforderungen an Hydrauliksysteme gerecht zu werden, gilt es diverse Zielkonflikte zu bewältigen, z. B. zwischen Bauraum, Wirkungsgrad, Schwingungsverhalten und Kosten. Als aktuelle Beispiele seien hier verstellbare Pendelschieberund Außenzahnradmaschinen genannt [1, 2]. Ziel dieses Fachbeitrags ist es, auf dem Wege einer Funktionsanalyse eine allgemeine, anwendungsunabhängige Übersicht möglicher Prinzipe zur Pumpenverstellung zu geben und damit Anregungen zur Diskussion bestehender sowie gegebenenfalls zukünftiger Lösungen zu liefern. Die hergeleiteten Verstellprinzipe sind auch auf Hydromotoren übertragbar. Auf eine begriffliche Verall gemeinerung (Pumpe/Motor; Hub-/Schluckvolumen) wird der Einfachheit halber im Rahmen dieses Beitrags verzichtet. 1.1 SYSTEMABGRENZUNG Zunächst sind für die Betrachtung zweierlei Abgrenzungen zu treffen: Zum einen sollen hier ausschließlich solche Pumpen als Verstellpumpen aufgefasst werden, bei denen über die internen Vorgänge der Verdrängung und Umsteuerung das effektive Fördervolumen variiert werden kann. Sauggedrosselte oder Bypass-gesteuerte Lösungen werden hier nicht betrachtet (Bild 01). In der Praxis werden diese Konzepte teilweise auch als „Verstell-“ oder „Regelpumpe“ bezeichnet, weil die dafür erforderlichen Elemente unmittelbar an bzw. in der Pumpe angeordnet werden und somit im System „Pumpe“ integriert sind. Bezogen auf die Grundfunktionen Verdrängung und Umsteuerung handelt es sich dabei jedoch um externe Maßnahmen zur Minderung des Verdrängerraum-Füllgrades (Saugdrossel) bzw. zur Rückführung eines bereits geförderten Ölvolumens (Bypass). Q eff p sys Umsteuerung Saug / Druck Istwerte Regler Aktuatorik Q saug n an s v, v M an Antriebskinematik Hubbewegung Verdränger Verstellbewegung Q leck p saug 02 Allgemeine Bestandteile des Systems „Verstellpumpe“ 1.2 PUMPENBAUARTEN oszillierender Verdränger Axialkolben Radialkolben Sollwerte Betrachtungsraum „Verstellprinzip“ Um die Analyse auf einer möglichst allgemeinen Basis durchführen zu können, soll an dieser Stelle kurz der Blick auf die konstruktive Vielfalt bei hydrostatischen Pumpen gelenkt werden. Die Differenzierung von Bauarten kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Ein gebräuchlicher und auch in der Lehre vielfach anzutreffender Ansatz stammt von Matthies und Renius (Bild 03). Dementsprechend wird übergreifend zwischen oszillierendem und rotierendem Verdränger unterschieden und weitergehend zwischen verschiedenen Ausführungen von Kolbenmaschinen, Zahnrad-, Flügelzellen-, Sperr- und Rollflügel- sowie Schraubenspindelmaschinen. rotierender Verdränger Zahnrad Sperr-/Rollflügel Pumpenverstellung ext. hydr. Förderstromverstellung Reihenkolben Freikolben Flügelzelle Schraubenspindel 03 Bauarten hydrostatischer Pumpen, nach [4] interne Prinzipe Saugdrossel 01 Maßnahmen zur Förderstromverstellung Bypass Zum anderen wird für diese Betrachtung der Fokus allein auf die funktionsimmanenten Prinzipe gelegt, die über eine Veränderung der Verdrängung bzw. der Umsteuerung Einfluss auf die effektive Fördermenge der Pumpe nehmen. Die Art und Weise, wie das gesamte Verstellsystem inklusive Regler angesteuert wird und mechanisch funktioniert, z. B. über direkte Druckbeaufschlagung, mechanisch-elektrische Aktuatoren oder Hebelkinematiken, wird hier nicht untersucht. Eine diesbezügliche Übersicht liefert z. B. Ivantysyn [3]. Bild 02 zeigt schematisch wesentliche Bestandteile des allgemeinen Systems „Verstellpumpe“ mit dem für diesen Beitrag relevanten Betrachtungsraum. Eine weitere Unterteilung kann dahingehend erfolgen, ob die Maschinen über spezielle Bauelemente für die Umsteuerung von Saug- zu Druckseite verfügen. Dies können Schieber- oder Sitzventile sein (z. B. bei Reihenkolbenpumpen) oder Steuerschlitze in radialer oder axialer Anordnung (Nutenzapfen bei Radialkolbenpumpen, Steuerspiegel bei Axialkolbenpumpen). Maschinen, bei denen die Trennung von Saug- und Druckseite in radialer bzw. axialer Richtung durch den Verdränger selbst erfolgt, benötigen diese Elemente nicht (vgl. Außenzahnrad- und Schraubenspindelmaschinen). 2 FUNKTIONSANALYSE Betrachtet man Hydraulikpumpen nach den Gesichtspunkten allgemeiner Funktionsstrukturen [5], so handelt es sich um Maschinen, die einen Stoff (Fluid) fördern und gleichzeitig Energie wandeln. Während hydrodynamische Maschinen erst über die Erhöhung der kinetischen Energie des Fördermediums einen Druckaufbau ermöglichen, sind hydrostatische Maschinen in der Lage, dem geförderten Fluid direkt potentielle Energie (Druck) aufzuprägen. Je nach Einsatzzweck der Pumpe kann eine der beiden Funktionen O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016 69

Ausgabe

O+P Fluidtechnik REPORT 2018
O+P Fluidtechnik 11-12/2018
O+P Fluidtechnik 10/2018
O+P Fluidtechnik 9/2018
O+P Fluidtechnik 7-8/2018
O+P Fluidtechnik 6/2018
O+P Fluidtechnik 5/2018
O+P Fluidtechnik 4/2018
O+P Fluidtechnik 3/2018
O+P Fluidtechnik 1-2/2018
O+P Fluidtechnik REPORT 2017
O+P Fluidtechnik 11-12/2017
O+P Fluidtechnik 10/2017
O+P Fluidtechnik 9/2017
O+P Fluidtechnik 7-8/2017
O+P Fluidtechnik 6/2017
O+P Fluidtechnik 5/2017
O+P Fluidtechnik 4/2017
O+P Fluidtechnik 3/2017
O+P Fluidtechnik 1-2/2017
O+P Fluidtechnik 11/2016
O+P Fluidtechnik 10/2016
O+P Fluidtechnik 9/2016
O+P Fluidtechnik 7-8/2016
O+P Fluidtechnik 6/2016
O+P Fluidtechnik 5/2016
O+P Fluidtechnik 4/2016
O+P Fluidtechnik 3/2016
O+P Fluidtechnik 1-2/2016
O+P Fluidtechnik KJB 2016
© 2018 by Vereinigte Fachverlage GmbH. Alle Rechte vorbehalten.