Tribologieoptimierung von Pumpensystemen durch fertigungsgerechte Einbringung von Mesostrukturen (WAVEPUMP)
Aufgabe / Zielsetzung
Hydrostatische Pumpen kommen durch die zunehmende Elektrifizierung von Hydrauliksystem, immer häufiger an ihre Betriebsgrenzen. Vor allem im niedrigen Drehzahlbereich müssen die Pumpen Lasten halten können, ohne in Mischreibung und damit Komponentenverschleiß zu kommen. Heutzutage können einige Pumpen diesen Konditionen noch standhalten, vor allem, weil sie bleihaltige Buntmetalle in ihren Lagerpaarungen nutzen. Diese sollen allerdings zukünftig durch bleifreie Werkstoffe ersetzt werden, um europäische Vorschriften (Reach Verordnung) zu erfüllen. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die hydrostatisch-hydrodynamischen Lager einer Axialkolbenpumpe für künftig verstärkt auftretende Betriebsmodi mit niedrigen Drehzahlen und damit niedrigen Relativgeschwindigkeiten der Lagerpaarungen zu optimieren.
Lösungsweg
Auf Basis einer simulationsgestützten Auslegung werden industriell fertigbare Oberflächenmodifikationen der Gleitschuhdichtflächen vorgenommen, welche den hydrodynamischen Druckaufbau unterstützen, ohne die Hydrostatik zu beeinträchtigen. Es sind serienfertigungsgerechte Oberflächenmodifikationen im Meso-Bereich vorgesehen. Zudem sollen diese Strukturen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Minimierung der Einlaufphase der Gleitschuhe untersucht werden, damit künftig auf bleihaltige Werkstoffe in diesen Gleitpartnern verzichtet werden kann. Die Validierung der strukturierten Bauteile erfolgt neben dem Pumpenprüfstand auf einem für den hydrostatischen Prüfbetrieb umgebauten Tribometer.
Ergebnisse
Die zwei besten Strukturen, eine ±6 µm Welle sowie ein 6 µm Stufe, wurden mittels serienfertigungsnahen Drehmaschinen gefertigt und getestet. Verglichen wurden die Gleitschuhe mit einem ebenfalls in der Simulation ausgelegten unstrukturierten Gleitschuhdesign. Dieses repräsentiert das best-mögliche Design ohne eine Strukturierung und übertraf den Seriengleitschuh der Pumpe bereits in Effizienz und Verschleiß.
Im Resultat hat der Stufengleitschuh am besten abgeschnitten. Er erzielte eine Gesamteffizienzverbesserung von 6 Prozentpunkten bei Vollhub, und 16 Prozentpunkten bei 25% Schwenkwinkel, bei jeweils niedrigen Betriebsdrücken und Drehzahlen. Dabei hat sich die Gesamteffizienz in keinem Betriebspunkt, selbst in der Eckleistung (350 bar, 2300 U/min), verschlechtert. Für die Elektrifizierung ist vor allem das Anfahrmoment wichtig, dies konnte der Stufengleitschuh um 80 % bei 1 U/min reduzieren, ohne dabei mehr Leckage zu erzeugen. Nach einem 500 h Dauertest, hat sich von der 6 µm Stufe weniger als 1 µm abgefahren, womit dieses Design so gut wie keinen Verschleiß aufweist. Dadurch konnte ein bleifreier Gleitschuh getestet werden, der dem bleihaltigen Gleitschuh in nichts nachstand und ebenfalls den 500 h Dauertest mit weniger 1 µm Abrieb überstand.
Bleifreie, strukturierte Gleitschuhe reduzieren Verschleiß und steigern die Effizienz
Das IGF-Vorhaben 20757 BR/1 und BR/2 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Der Schlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de).