Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Effizienzsteigerung von Verdrängereinheiten durch optimales Einlaufen

Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise sind die in der hydraulischen Antriebstechnik am weitesten verbreitete Pumpenbauform im Druckbereich 250 bis 400 bar. Die Verlustleistung dieser Einheiten dissipiert überwiegend in den tribologischen Kontakten Kolbentrommel – Steuerspiegel, Kolben – Buchse und Gleitschuh – Schrägscheibe. Diese Kontakte unterliegen einer hohen mechanischen, thermischen und zum Teil auch chemischen Belastung. Infolge dieser Belastung verändert sich das tribologische Verhalten insbesondere während der ersten Betriebsstunden. In dieser Einlaufphase ändern sich die Mikro- und Makrogestalt der Bauteiloberflächen, sowie deren Gefüge und chemische Zusammensetzung. Infolge des sogenannten Einlaufverschleißes wird das Betriebsverhalten der Maschine hinsichtlich Effizienz während der gesamten Produktlebensdauer anhaltend beeinflusst.

Im beantragten Forschungsvorhaben ist eine systematische Untersuchung der tribologischen Effekte anhand verschiedener Abstraktionsstufen der genannten Kontakte vorgesehen. Begonnen wird mit Untersuchungen am Scheibe-Scheibe-Tribometer, gefolgt von Bauteiluntersuchungen. Abschließend wird das Betriebsverhalten marktüblicher Verdrängereinheiten mit solchen, die gemäß zuvor erarbeiteter Prozedur eingelaufen sind, verglichen. Durch diese mehrstufige Vorgehensweise können einerseits bei vertretbarem Bauteilaufwand metallographische und optische Untersuchungen der Versuchskörper hinsichtlich des Verschleißes, Gefüge etc. unternommen werden. Andererseits ist die direkte Übertragbarkeit auf die industrielle Anwendung sichergestellt.

Für KMU sind durch Optimierung der Kontakte, integriert in Herstellungs- und Inbetriebnahmeprozesse bei Hersteller oder Anwender, eine Wirkungsgradsteigerung sowie eine Senkung der Betriebskosten erzielbar. Zugleich wird eine erhöhte Anlagenverfügbarkeit und Lebensdauer aller Komponenten durch reduzierten Verschleiß und geringere Partikelbelastung im System erreicht.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden vier bleifreie Sondermessingmaterialien gegenüber einer bleihaltigen Referenzlegierung untersucht. Dabei wurden jeweils geläppte und feingeschliffene Oberflächen in einer groben und in einer feinen Oberflächenrauheit verglichen. Die Probekörper wurden dazu Stribecktests und Einlauftest von 10 minütiger Dauer unterzogen. Diese Versuche wurden in unterschiedlichen Abstraktionsgraden durchgeführt. Dazu wurden im Rahmen des Projekts insgesamt drei Prüfstände aufgebaut.

Es wurden zum einen der Vergleich zwischen realen Bauteilen (Kolbentrommel – Steuerspiegel) einer üblichen Hydraulikpumpe mit Scheibe-Scheibe-Tribometermessungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass das Verhalten auf dem Tribometerprüfstand eine gute Vergleichbarkeit aufweist. Insbesondere bei hohen Belastungen wies die Abbildbarkeit allerdings Unterschiede auf.

Es stellte sich heraus, dass sich für jede untersuchte Legierung eine Oberflächenbearbeitungsart als optimal erwiesen hat. Insgesamt wurden im Projekt ungefähr 200 Versuche auf Prüfständen durchgeführt und ebenso viele Oberflächenmessungen mittels digitalen Mikroskop.

Die erzielten Ergebnisse vereinfachen die Umstellung von den aktuell in der Hydraulik üblicherweise genutzten bleihaltigen Sondermessinglegierungen hin zu bleifreien Ersatzwerkstoffen. Weiterhin können die Bearbeitungsverfahren für die tribologischen Oberflächen nun basierend auf dem Grundwerkstoff und der Anwendung so gewählt werden, dass es zu einer Verringerung des Reibwerts während der Einlaufphase kommt und somit der Wirkungsgrad der hydraulischen Verdrängereinheit steigt. Die Untersuchungen zu unterschiedlichen Startrauheiten ermöglichen es, Kosten bei der Endbearbeitung einzusparen und verschieben einen Teil der Oberflächenbearbeitung aus der Fertigung hin zum Kunden, bei dem die Axialkolbenmaschine in der ersten Betriebszeit ihren optimalen Oberflächenzustand erhält.