Effizienzstei­gerung, Verschleißmin­derung und bleifreier Betrieb von Axialkolbenpum­pen durch oberflächen­strukturierte Gleitschuhe

Hydrostatische Pumpen stoßen durch die zunehmende Elektrifizierung der Hydrauliksysteme immer häufiger an ihre Betriebsgrenzen. Vor allem im niedrigen Drehzahlbereich müssen die Pumpen Lasten halten können, ohne dass es zu Mischreibung und damit zu Bauteilverschleiß kommt. Heutzutage können einige Pumpen diesen Bedingungen noch standhalten, vor allem weil sie bleihaltige Buntmetalle in ihren Lagerpaarungen verwenden. Diese sollen jedoch in Zukunft durch bleifreie Werkstoffe ersetzt werden, um den europäischen Vorschriften (Reach-Verordnung) zu entsprechen. 

Mesostrukturen sind Oberflächengestaltungen, die über größere Distanzen (im mm-Bereich) kleine Höhenänderungen (im µm-Bereich) aufweisen. Derartige Strukturierungen ermöglichen es, das Druckfeld im Spalt gezielt zu verändern und so eine zusätzliche Hydrodynamik aufzubauen. 

In dem kürzlich abgeschlossenen Projekt "Wave Pump" wurden unterschiedliche Strukturen getestet und mittels numerischer Simulationsmodelle (Caspar FSTI) optimiert. Die beiden besten Strukturen, eine ±6 µm Welle und eine 6 µm Stufe, wurden auf serienfertigungsnahen Drehmaschinen gefertigt und anschließend getestet. Dazu wurden die Gleitschuhe mit einem ebenfalls in der Simulation ausgelegten unstrukturierten Gleitschuhdesign verglichen. Dieses repräsentiert das bestmögliche Design ohne Strukturierung und übertraf bereits den Seriengleitschuh der Pumpe in Effizienz und Verschleiß. 

Im Ergebnis schnitt der Gleitschuh mit Stufe am besten ab. Er erzielte eine Verbesserung der Gesamteffizienz von 6% bei Vollhub und 16% bei 25% Schwenkwinkel, jeweils bei niedrigen Betriebsdrücken und Drehzahlen. Gleichzeitig verbesserte sich die Gesamteffizienz über den gesamten Betriebsbereich, bzw. blieb in der Eckleistung der Pumpe (350 bar, 2300 U/min) konstant. Für die Elektrifizierung ist vor allem das Anfahrmoment wichtig. Dieses konnte bei 1 U/min um 80% gesenkt werden, ohne dabei mehr Leckage zu erzeugen. Nach einem 560-stündigen Dauertest war weniger als 1 µm der 6-µm-Stufe abgetragen, womit dieses Design so gut wie keinen Verschleiß aufweist. Dadurch war es möglich, einen bleifreien Gleitschuh zu testen, der dem bleihaltigen Gleitschuh in nichts nachstand. Auch dieser bestand den 560-stündigen Dauertest mit weniger als 1µm Abrieb.

Mehr Informationen hierzu finden Sie in unserer Veröffentlichung  "Tribo-optimized lubricating interfaces in hydrostatic pumps with surface shaped slippers".