Entwicklung und Untersuchung einer Gerotopumpe und eines Orbit-Motors mit neuartiger Rollen-Zahnrad-Verzahnung
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung und grundlegende Untersuchung einer Gerotorpumpe und eines Orbit-Motors mit einer neuen Rollen-Zahnrad-Verzahnung, wobei das innenverzahnte Außenzahnrad des Zahnradpaares der herkömmlichen Gerotorpumpen bzw. der Separator und die Rollen bei den Orbit-Motoren nur durch Rollen bzw. Rollen mit Passschrauben ersetzt wurden. Zum Erreichen des gestellten Ziels wurden zuerst CAD-Modelle einer Standard-Gerotorpumpe und eines Standard-Orbit-Motors erstellt. Weiter wurden 5 CAD-Modellvarianten der neuen Gerotorpumpen und 6 CAD-Modellvarianten der neuen Orbit-Motoren entwickelt. Dabei wurden analytische Gleichungen des Profils des Innenzahnrades bei verschiedenen Exzentrizitäten aufgestellt und eine neue Methodik zur Berechnung und Modellierung des Rollen-Zahnrad-Paars der neuen Gerotorpumpe und Orbit-Motor entwickelt. Anschließend wurden die entsprechenden dreidimensionalen transienten CFD- Modellvarianten der neuentwickelten Gerotorpumpen und Orbit-Motoren erstellt und dem CFD-Modell der Standard-Gerotorpumpe und des Standard-Orbit-Motors simulativ gegenübergestellt. Die gewonnenen CFD-Simulationsergebnisse weisen für alle fünf Modellvarianten der neuentwickelten Gerotorpumpen im Vergleich zu dem Modell der Standard-Gerotorpumpe eine wesentliche Verringerung der Volumenstrom-, Druck- und Gasvolumen- Anteil-Pulsationen auf, bei einem nahezu gleichen volumetrischen Wirkungsgrad. Die Volumenstrompulsationen im Ausgang der neuentwickelten Gerotorpumpen-Varianten reduzieren sich mit zunehmender Zähnezahl um 2% bis 24%, während die Druckpulsationen im jeweiligen Gerotor-Volumen ebenfalls mit zunehmender Zähnezahl um 22% bis 64% abnehmen. Die Gasvolumen-Anteil-Pulsationen im Gerotor-Volumen der neuentwickelten Gerotorpumpen-Modellvarianten vermindern sich um 7% bis 49%. Weiter kann eine Erhöhung des Drehmoments aller sechs Orbit-Motoren-Modellvarianten im Vergleich zu dem Modell des Standard-Orbit-Motors aufgezeigt werden und zwar bis 25% mit zunehmender Exzentrizität (die ersten drei Varianten) und bis 53% mit zunehmender Zähnezahl (die letzten drei Varianten). Die Druckpulsationen im Rotor der neuentwickelten Orbit-Motoren-Modellvarianten reduzieren sich mit zunehmender Zähnezahl um 13% bis 43%, während die Druckpulsationen im jeweiligen Bohrungen-Volumen ebenfalls mit zunehmender Zähnezahl um 16% bis 96% abnehmen. Ebenso vermindern sich die Gasvolumen-Anteil-Pulsationen sowohl im Rotor als auch in den Bohrungen der neuentwickelten Orbit-Motoren-Modellvarianten entsprechend um 26% bis 49% und um 40% bis 60%. Abschließend wurde eine Prototyp-Gerotorpumpe entworfen, gefertigt, aufgebaut und experimentell der Standard-Gerotorpumpe gegenübergestellt. Die gewonnenen experimentellen Ergebnisse weisen für die Prototyp-Gerotorpumpe im Vergleich zu der Standard- Gerotorpumpe eine wesentliche Verringerung der Druckpulsationen (bis zu einem dreifachen Wert) mit zunehmender Drehzahl auf. Die Reduktion der Druckpulsationen im Ausgang bei 1.450 min-1 beträgt 42,9 %, während die Druckpulsationen bei 2.000, 2.500 und 3.000 min^-1 um 54,9 %, 60,5 % und bzw. 64,8 % abnehmen. Weiterhin reduziert sich sowohl der Schallintensitätspegel der Prototyp-Gerotorpumpe bei Zahneingriffsfrequenz mit zunehmender Drehzahl um 1 dB bis 3 dB als auch deren Summenschallintensitätspegel ebenfalls mit zunehmender Drehzahl um 0,7 dB bis fast 9 dB. Die simulative und experimentelle Untersuchungen der neuentwickelten Gerotorpumpen und Orbit-Motoren haben eindeutig gezeigt, dass deren neues Design auf der einen Seite eine wesentliche Reduktion der Herstellkosten und auf der anderen Seite eine Verbesserung der hydraulischen Parameter ermöglicht. Aufgrund der nicht optimierten Spiele im Gerotor und demzufolge erhöhter Reibung und Verschleiß der Polyamid-Rollen sind aber der volumetrische und der mechanische Wirkungsgrad der Prototyp-Gerotorpumpe niedriger als im Vergleich mit der Standard-Gerotorpumpe bei 1.450 min^-1 und 2.500 min^-1. Zudem sind noch keine experimentellen Untersuchungen am Orbit-Motor-Prototyp zur Verifikation der Simulationsergebnisse durchgeführt worden, da diese im Rahmen des noch zu beantragenden Fortsetzungsvorhabens vorgesehen sind. Aus diesen Gründen sind weitere simulative und experimentelle Untersuchungen zu einem erfolgreichen Abschluss dieses Themas erforderlich. Im Rahmen der 2. Projektphase ist daher vorgesehen, weitere zwei Prototyp-Gerotorpumpen und ein Prototyp-Orbit-Motor zu entwerfen, zu fertigen, aufzubauen und experimentell zu untersuchen. Darüber hinaus ist nach Ende der 2. Projektphase im Rahmen eines industrienahen Projekts eine Weiterentwicklung und Optimierung der neuentwickelten Gerotorpumpen und Orbit-Motoren geplant und infolgedessen ein Produktionsstart vorgesehen.
Publications
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Hydraulische Systeme für spanende Werkzeugmaschinen im Wandel. Ingenieurspiegel 3/2013, S. 26 - 28
Stehle, T.
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“Development of a new gerotor pump with innovative gerotor design and investigation of its hydraulic characteristics through CFD Analysis” The 9th International Fluid Power Conference, 9. IFK, March 24-26, 2014, Aachen, Germany
Heisel, U.; Mishev, A.
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„Entwicklung und Untersuchung einer Gerotorpumpe mit neuartiger Rollen-Zahnrad-Verzahnung“, www.werkstattstechnik.de, Ausgabe 3-2014 ab S. 156
Heisel, U.; Mishev, A.; Stehle, T.; Aleksiev, S.
