O+P Fluidtechnik 3/2016

PUMPEN UND

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE mehr oder weniger im Vordergrund stehen (Umwälzpumpe: Fördern, Pressenantrieb: Druckerzeugung). Auf der physikalischen Ebene findet bei hydrostatischen Pumpen immer eine Aufnahme, Verschiebung und Verkleinerung (Kompression) und anschließende Verdrängung diskreter Fluidvolumina statt (vgl. auch [6]). Realisiert wird dies durch die zyklische Vergrößerung und Verkleinerung der Verdrängerkammer (Hubbewegung) und die wechselseitige Verbindung mit dem Saug- und Druckanschluss der Pumpe (Umsteuerung). Verstellprinzipe hydrostatischer Pumpen nach der Definition aus Abschnitt 1 (Bild 02) beeinflussen die effektive Fördermenge über die Veränderung dieser beiden Faktoren. Es ergeben sich dabei Unterschiede dahingehend, inwiefern das verfügbare Volumen einer Verdrängerkammer für die Teilfunktionen Ansaugung und Verdrängung sowie Verschiebung und Verkleinerung eines Fluidvolumens genutzt wird. Für eine Definition möglicher Verstellprinzipe wird daher im Folgenden das Kammervolumen einer allgemeinen hydrostatischen Pumpe schrittweise in verschiedene funktionsrelevante Anteile zerlegt (Bild 04). Konstruktion Einflussfaktoren max. Kammervolumen Hubvolumen min. Kammervolumen (=Totvolumen) Konstruktion Hubverlauf Totvol. Konstruktion Hubverlauf Umsteuerung Leckage (int./ext.) Totvol. eff. Fördervolumen Konstruktion Hubverlauf Umsteuerung Spaltmaße Öleigenschaften Druckverhältnisse real th. Fördervolumen a) b) c) d) Blindhubvolumina Kompr.- volumen 04 Funktionsrelevante Volumenanteile einer Verdrängerkammer abzüglich der Blindhubvolumina stellt das theoretische Fördervolumen dar (Bild 04, c). Im Zusammenwirken mit sämtlichen relevanten Spaltmaßen der Maschine sowie den Eigenschaften des Fluids (Kompressibilität, Luftgehalt) und den vorliegenden Druckverhältnissen ergibt sich schließlich das effektive Fördervolumen einer Verdrängerkammer. Dieses ist gegenüber dem theoretischen Wert gemindert um das Kompressionsvolumen sowie die interne und externe Leckage (Bild 04, d). Hinsichtlich des Kompressionsvolumens ist es bei dieser grundsätzlichen Betrachtung zunächst irrelevant, ob die Kompression über einen Rückfluss von Öl aus dem Druckanschluss der Pumpe in die Verdrängerkammer (z. B. über Spalte) stattfindet oder zusätzlich bei z. B. Spiegelsteuerung eine geometrische Vorkompression erfolgt. Bezogen auf das von der Saugseite zur Druckseite transportierte Ölvolumen wird der für die Kompression erforderliche Volumenteil nicht an die Druckseite abgegeben. Somit wirkt sich das Kompressionsvolumen in jedem Fall mindernd auf das Fördervolumen aus. Es ist allerdings anzumerken, dass eine geometrische Vorkompression über das ausgangsseitige Druckniveau hinaus zusätzlich auch einen Einfluss auf die Spaltleckage hat. In vergleichbarer Weise stehen unter der Berücksichtigung aller realen Effekte auch andere Volumenanteile miteinander in Wechselwirkung. So erfordert ein insgesamt größeres Kammervolumen auch ein größeres Kompressionsvolumen, wobei das Totvolumen stets mit komprimiert, aber nicht verdrängt wird. Des Weiteren kann ein gewisses Blindhubvolumen auf der Saugseite dazu führen, dass das effektive Fördervolumen der Pumpe steigt. Dies ist dann der Fall, wenn durch die Überschneidung der Saugöffnung mit dem Punkt des größten Kammervolumens die Massenträgheit des Fluidstroms auf der Saugseite dazu genutzt werden kann, die Verdrängerkammer besser (mit höherem Druck) zu füllen. 3 VERSTELLPRINZIPE In Abhängigkeit davon, auf welche Kammervolumenanteile nach Bild 04 durch die Verstellung Einfluss genommen wird, kann grundsätzlich zwischen drei Verstellprinzipen differenziert werden: Kammervolumenverstellung, Hub- und Totvolumenverstellung bei festem maximalen Kammervolumen und Verstellung der Umsteuerung. Darüber hinaus gibt es Mischformen. Im Folgenden werden die verschiedenen Prinzipe im Einzelnen erläutert und mit Beispielen illustriert. FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Das Kammervolumen wird durch die Form und Abmessungen aller an der Kammerbildung beteiligten Elemente festgelegt. Während eines Förderzyklus (entspricht bei vielen Bauarten einer Umdrehung der Antriebswelle) verändert sich dieses Volumen zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert. Das maximale Kammervolumen besteht dabei grundsätzlich aus zwei Anteilen (Bild 04, b): 1. Totvolumen: Dieses stellt den Minimalwert des Kammervolumens während eines Umlaufs dar. Zum Totvolumen zählt beispielsweise bei Axialkolbenmaschinen der Rauminhalt der Bohrung im Boden des Zylinderblockes oder auch das Hohlkolbenvolumen. 2. Hubvolumen: Dies ist die Differenz zwischen Maximal- und Minimalwert des Kammervolumens während eines Umlaufs. Allein dieser Volumenteil ist für die Förderung nutzbar. Bei Maschinen mit Umsteuerelementen besteht eine zusätzliche Möglichkeit, auf das Fördervolumen Einfluss zu nehmen und dieses im Extremfall bis auf Null zu reduzieren. Bleibt beispielsweise bei einer Reihenkolbenpumpe das druckseitige Ventil dauerhaft geschlossen und das saugseitige Ventil geöffnet, beträgt die Fördermenge Null – bei vollem Hubvolumen. Für eine Teilförderung erfolgt dementsprechend ein Teil der Verdrängung zur Saugseite und ein Teil der Ansaugung erfolgt von der Druckseite. Die jeweiligen Volumenanteile tragen nicht zum Fördervolumen bei und werden im Folgenden als Blindhubvolumina bezeichnet. Das Hubvolumen 3.1 KAMMERVOLUMENVERSTELLUNG Bei diesem Verstellprinzip wird das Hubvolumen über eine Vergrößerung oder Verkleinerung des maximalen Kammervolumens während eines Förderzyklus variiert. Diese geht bei den meisten konstruktiven Varianten einher mit einer Verkleinerung bzw. Vergrößerung des minimalen Kammervolumens und somit des Tot volumens, was sich zusätzlich auf das Fördervolumen auswirkt. Hubvolumen Totvolumen Verstellung Totvol. max. Kammervolumen Hubvolumen 05 Kammervolumenverstellung (Beispiel: Flügelzelle), nach [7] Totvol. 70 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE Bild 05 zeigt dieses Prinzip am Beispiel einer einhubigen Flügelzellenpumpe. Durch Verringerung der Exzentrizität nehmen das maximale Kammervolumen ab und das Totvolumen zu. Die Ausführung einer reinen Hubvolumenverstellung, bei der das Totvolumen unverändert bleibt, ist grundsätzlich z. B. für Reihen- und Einzelkolbenpumpen oder Schrägscheiben-Axialkolbenmaschinen möglich (Bild 06). Im Beispiel der Axialkolbenmaschine muss die huberzeugende Schrägscheibe um den Kontaktpunkt der Kolben im oberen Totpunkt (minimales Kammervolumen) verschwenkt werden. Für Reihen- und Einzelkolbenpumpen zeigt Bild 06 das Prinzip anhand der Wirkweise eines verstellbaren Nockentriebs. Indem das Verstellsystem ausgehend vom Nullhub im oberen Totpunkt eine asymmetrische Kontaktgeometrie erzeugt, entsteht ein Hubweg für den Kolben und die Förderung beginnt. Bei ausgeführten Axialkolbenmaschinen (Schrägscheiben-, Schrägachsen-, Taumelscheiben-) erfolgt die Verschwenkung im Allgemeinen um einen Punkt auf der Triebachse. Damit liegt eine gleichzeitige Veränderung des maximalen und minimalen Kammervolumens nach dem Schema aus Bild 05 vor. Gleiches gilt für Schwenkachsen, die im Bereich zwischen Trieb- und Kolbenachse liegen, um bei Schrägscheibenmaschinen gezielt Eigenstellmomente zu erzeugen (vgl. [8]). eines der beiden Räder wird die Zahneingriffsbreite und somit das wirksame Verdrängungsvolumen verändert. Für die radiale Abdichtung der Zahnzwischenräume im Teilhubbetrieb sind in axialer Verlängerung der Räder entsprechende Füllelemente (1, 2) erforderlich. Für einen völligen Nullhub müssten die Zahnräder komplett außer Eingriff gebracht werden, was nur mithilfe zusätzlicher Maßnahmen für einen gleichbleibenden Synchronlauf realisierbar ist [9]. UT 1 2 Totvolumen Verstellung Hubvolumen UT Totvolumen max. Kammervolumen Totvol. Hubvolumen Totvol. Totvolumen OT Hubvolumen UT OT Verstellung OT Totvol. max. Kammervolumen Hubvolumen Totvol. Kontur „Nullhub“ Verstellung Kontur „Vollhub“ 07 Hub- und Totvolumenverstellung bei V K,max = konst. am Beispiel von Außenzahnrad (oben, nach [9]), und Einzelkolben (unten) Analog zu den Beispielen in Bild 06 ist dieses zweite Prinzip der Verstellung grundsätzlich auch bei Schrägscheiben-Axialkolbensowie Reihen- und Einzelkolbenpumpen möglich. In diesem Fall muss der Nullhub im unteren Totpunkt vorliegen, sodass das maximale Kammervolumen über der Verstellung konstant ist. Wird hier der Hubweg beispielsweise von Null aus vergrößert, wird Totvolumen in Hubvolumen umgewandelt. Bild 07 veranschaulicht dies wiederum am Beispiel eines nockengetriebenen Einzelkolbens. Kontur „Nullhub“ Verstellung Kontur „Vollhub“ 06 Reine Hubvolumenverstellung am Beispiel von Axialkolben (oben) und Einzelkolben (unten) Generell findet dieses erste Verstellprinzip bei allen Pumpenbauarten Anwendung, die grundsätzlich eine Variation der maximalen Kammergröße ermöglichen. Dazu zählen sämtliche Kolbenpumpen sowie einhubige Flügelzellenpumpen und verwandte Bauarten, wie z. B. Pendelschiebermaschinen. Zahnrad-, Zahnring- und Schraubenspindelpumpen besitzen aufgrund der Eingriffsbedingung ein festes maximales Kammervolumen. Bei Sperr- und Rollflügelmaschinen kann aufgrund der Passung von Drehkolben und Gehäuse das Kammervolumen nicht variiert werden. Sollen auch diese Pumpenbauarten verstellbar ausgeführt werden, müssen daher andere Prinzipe genutzt werden. 3.2 HUB- UND TOTVOLUMENVERSTELLUNG BEI FESTEM MAXIMALEM KAMMERVOLUMEN Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei festem maximalem Kammervolumen die Aufteilung in Hub- und Totvolumen zu verändern, indem das minimale Kammervolumen variiert wird. Dieses Prinzip wird bei Maschinen mit Zahneingriff genutzt, wie in Bild 07 beispielhaft für eine Außenzahnradpumpe gezeigt. Über eine axiale Verschiebung 3.3 UMSTEUERVERSTELLUNG Beim dritten Verstellprinzip wird die Umsteuerung zwischen Saugund Druckseite in Relation zum Hubverlauf derart verändert, dass sich Blindhubvolumina ergeben (vgl. Abschnitt 2). Dies ist grundsätzlich für alle Maschinen mit speziellen Umsteuerelementen, wie z. B. Ventile, Nutenzapfen und Steuerspiegel, möglich. In seiner reinen Form ist dieses Prinzip der Verstellung vor allem für Innenzahnradmaschinen relevant (Bild 08). Sie besitzen aufgrund der Eingriffsbedingung ein festes maximales Kammervolumen pro Umdrehung und weisen typischerweise axiale Umsteuerspiegel auf. Durch eine Verdrehung des innenverzahnten Hohlrades wird der Punkt maximalen Kammervolumens (= Exzentrizität bzw. Hubachse) zur Saugseite hin verschoben. Hierdurch ergeben sich ein Volumen anteil V Bs , der von der Saugseite auf genommen und direkt wieder in diese verdrängt wird sowie ein Volumenanteil V Bd , der nach dem Verdrängen zur Druckseite hin auch von dieser wieder aufgenommen wird. Somit ist das theoretische Fördervolumen gegenüber dem Hubvolumen der Pumpe um die Blindhubvolumina gemindert. Aufgrund des axialen Umsteuerspiegels zieht für Innenzahnradmaschinen ein mögliches axiales Verschieben der Räder zur Variation des Zahneingriffs (vgl. Abschnitt 3.2, Hub- und Totvolumenverstellung) einen erhöhten Bauteil- und Fertigungsaufwand für die Ölführung nach sich. Bei radialspaltgesteuerten Außenzahnradmaschinen besteht dieses Problem nicht. Eine sehr spezielle Anwendung der Umsteuerverstellung ist der Hydrotransformator. Basierend auf dem Axialkolbenprinzip wird O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 3/2016 71