Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Tribologieoptimierung von Pumpensystemen durch fertigungsgerechte Einbringung von Mesostrukturen

Um die Wettbewerbsfähigkeit fluidtechnischer Antriebe und der in dieser Branche tätigen KMU gegenüber konkurrierenden Antriebstechnologien zu erhalten und zu stärken, ist es notwendig, Verdrängermaschinen auf zukünftige Herausforderungen vorzubereiten. Ein aussichtsreicher Ansatz ist die gezielte Optimierung der Gleitpaarungen durch die Meso-Strukturierung der Oberflächen zur Verbesserung des Schmier- und Leckageverhaltens.

Im vorgeschlagenen Projekt sollen für eine ausgewählte Gleitpaarung einer Axialkolbenpumpe verschiedene Meso-Strukturen unter serienfertigungsnaher Toleranzgebung entwickelt, gefertigt und getestet werden. Außerdem wird die Realisierbarkeit buntmetallfreier Lager bewertet.

Zu Beginn wird ein leistungsfähiges und erprobtes Simulationstool verwendet, um den Designspielraum zu verstehen und zu optimieren. Anschließend werden für die favorisierten Strukturen Fertigungstechnologien qualifiziert, sodass sie direkt in die heutige Serienfertigung bei Pumpenherstellern implementiert werden können. Die Strukturen werden zunächst unter Laborbedingungen getestet, um deren Einflüsse quantitativ bewerten zu können. Dafür wird ein neuartiges Tribometer entwickelt und eingesetzt, welches den Test unter hydrostatischen Bedingungen gewährleistet. Anschließend werden die Meso-Strukturen auf einem Pumpenprüfstand getestet. Damit sollen die Vorhersage des Tribometers und der Simulation validiert werden.

Die Ergebnisse sind übertragbar auf andere hydrostatisch-hydrodynamische Gleitlager in verschiedensten Anwendungen. Die Substitution von bleihaltigen Bronzeteilen durch meso-strukturierte Oberflächen ermöglicht speziell KMU eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Herstellung von hydraulischen Komponenten. Das zu entwickelnde hydrostatische Tribometer ist ein Novum in der Fluidtechnik und eine Bereicherung für die gesamte Hydraulikindustrie, da es den Test verschiedenster Bauteile, Materialien, Fluide sowie Fluid-Additive unter Laborbedingungen ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Mit modernster numerischer Simulation wurden drei Oberflächenstrukturen (Welle, Sphärisch, Stufe) für die Gleitschuhdichtfläche von Axialkolbenpumpen entwickelt, die dem Pumpenbetrieb ohne nennenswerten Verschleiß standhalten und daher bleifreie Werkstoffe zulassen. Welle, Stufe und ein optimierter flacher Referenz-Gleitschuh wurden gefertigt und in Messung und Simulation miteinander verglichen.

Bei Betriebspunkten mit niedriger Drehzahl und niedrigem Druck war der Wirkungsgrad und der Drehmomentverlust bei der Wellenstruktur wesentlich besser als beim flachen Referenz-Gleitschuh. Mit dem neue Stufen-Gleitschuh arbeitete die Pumpe in allen Betriebspunkten mit Abstand am effizientesten. Wirkungsgradsteigerungen von bis zu 16% im Teillastbereich und 6% in Volllast konnten allein durch den Austausch der Gleitschuhe gemessen werden. Bei ultraniedrigen Drehzahlen wurde beim Kalt- und Warmstart bis zu 80% weniger Drehmoment benötigt und dieser Drehmomentvorteil blieb bis zu hohen Drehzahlen erhalten.

Der Stufen-Gleitschuh wies mit nur 1,5µm praktisch keine Abnutzung auf und hat damit ein enormes Potential für die Verwendung bleifreier Materialien. Weitere Messungen der Effizienz und des Abriebs mit einer bleifreien Messinglegierung des Stufen-Designs zeigten die gleichen Effizienzsteigerungen wie mit Messing bei noch geringerem Verschleiß.

Unternehmen zeigen sich stark interessiert an den Ergebnissen. Es gibt bereits in bilateraler Zusammenarbeit eine Implementierung des Stufen-Designs in Axialkolbenpumpen.

Des Weiteren wurden Technologien zur präzisen Herstellung der Oberflächenstrukturen untersucht. Die Fertigung der 6µm hohen Stufe kann schon heute durch präzise Drehwerkzeuge bei den Pumpenherstellern selbst erfolgen. Es wurde ein neuartiges hydrostatisches Tribometer mit Drücken bis zu 300bar entwickelt. Nebst dem transparent dokumentierten Tribometeraufbau stehen auch die umfangreichen dynamischen Messergebnisse zur Verfügung.