Entwicklung und Untersuchung einer geräusch- und pulsationsarmen Hydraulikpumpe mit Kreisbogenverzahnung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Außenzahnradpumpen (AZP) sind zuverlässig, günstig, kompakt und haben einen hohen Wirkungsgrad. Trotz vieler Untersuchungen bzw. Weiterentwicklungen und der breiten Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen beinhalten diese Pumpen aber noch erhebliche Optimierungspotentiale. Zu den typischen Nachteilen dieser Pumpenart gehören die Umgebungsbelastung durch einen hohen Schallpegel und eine starke Volumenstrompulsation am Pumpenausgang. Im Unterschied zu den bekannten Verbesserungsmaßnahmen besteht eine vielversprechende Möglichkeit, durch Anwendung der Verzahnung mit bogenförmigen Zahnradflanken die vorhandenen Probleme von Außenzahnradpumpen zu lösen. Die Form des eigentlichen Zahnprofils kann dabei beliebig gestaltet werden. Das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war die Entwicklung und der Aufbau eines Prototyps der Außenzahnradpumpe mit Bogenverzahnung. Für die Zielerreichung wurden die Arbeitsprinzipien der Zahnradpumpen analysiert und theoretische Grundlagen der Entwicklung der pumpentauglichen Bogenverzahnung geschaffen. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine sinnvolle Auswahl einer serienmäßigen Geradzahnradpumpe, die als Referenzpumpe zum Prototypaufbau diente. Die geometrischen Parameter der Referenzpumpe wurden messtechnisch erfasst und analytisch geprüft, die hydraulischen und akustischen Kennwerte wurden experimentell untersucht. Anschließend wurde ein CAD-Modell der Referenzpumpe erstellt. Dieses Modell diente für die simulationtechnischen Untersuchungen mittels FEM- und CFD-Werkzeugen sowie zur Erzeugung eines CAD-Modells des neuen Pumpenprototyps und zur Erstellung der Fertigungszeichnungen der Bogenverzahnung. Simulative Untersuchungen der hydraulischen Vorgänge der Referenzpumpe erfolgen mittels PumpLinx unter Variation der Arbeitsparameter und durch eine iterative Modellabstimmung wurde eine gute Übereinstimmung von ca. 5-7% zwischen den Ergebnissen der Strömungssimulation und den Werten des Pumpenherstellers erreicht. Dabei wurde festgestellt, dass die CFD- Strömungsuntersuchung der Pumpe mit Bogenverzahnung mit der Software PumpLinx aus mathematischen Gründen leider nicht möglich ist. Zur Entwicklung und Auslegung der Bogenverzahnung wurde eine neue Vorgehensweise eingesetzt. Dafür wurde eine universelle Methode zur Erzeugung von bogenförmigen Zähnen mit neuen geometrischen Eigenschaften entwickelt, analytisch definiert und im praktischen Einsatz getestet. Diese Auslegungsmethode wurde in Form einer Patentanmeldung zusammengefasst. Bei der Analyse der Fertigungsmöglichkeiten für die entwickelte Bogenverzahnung wurde festgestellt, dass das bekannte Messerkopf-Verfahren nicht die erforderliche Geometrie der Bogenzahnflanke gewährleisten kann. Daher wurde zur Herstellung der entwickelten Bogenverzahnung eine andere Formbildungsmethode vorgeschlagen. Diese besteht in der 5-Achs-Fräsbearbeitung unter Einsatz serienmäßiger Fräswerkzeuge. Für die erfolgreiche Bearbeitung der Verzahnungsprototypen wurde eine Reihe von technologischen und steuerungstechnischen Maßnahmen eingeführt und angepasst. Dabei wurde das vorhandene CAD-CAM-Tool „gear-Mill“ für die Bearbeitung der neuen Art der Bogenräder erweitert. Die erstellen Prototyp-Bogenzahnräder weisen die angestrebte Formgenauigkeit und Oberflächenqualität auf. Nach der ausführlichen Kontrolle wurden die Bogenzahnräder in das vorhandene Pumpengehäuse in Kombination mit vorhandenen Pumpenbrillen und Dichtungen eingebaut. Damit entstand der erste arbeitstaugliche Prototyp der Außenzahnradpumpe mit Bogenverzahnung. Der aufgebaute Prototyp der Zahnradpumpe mit Bogenverzahnung wurde als Gebrauchsmuster patentiert. Die hydraulischen und akustischen Eigenschaften des Pumpenprototyps wurden experimentell bei Variation der Arbeitsparameter unter Laborbedingungen getestet. Die Ergebnisse der hydraulischen Untersuchungen belegen die Arbeitstauglichkeit der Bogenverzahnung unter verschiedenen Druckund Drehzahlparametern. Diese Untersuchungen wurden unter konstanten Bedingungen und ohne Einarbeitung und Anpassung der Geometrie der Druckausgleichskanäle in den Pumpenbrillen durchgeführt (d.h. ohne weitere Optimierungsmaßnahmen, die sich positiv auf die gemessenen Werte auswirken würden). Die gewonnenen hydraulischen und akustischen Werte liegen sehr nahe an den Werten der Referenzpumpe. Damit ist die korrekte Auslegung der Bogenverzahnung und vor allem der Kontakteigenschaften sowie die richtige Auswahl der Fertigungstechnologie belegt. Es wurden die Eigenschaften der Bogenverzahnungen in beiden Drehrichtungen (konkav und konvex) untersucht und festgestellt, dass es eine bevorzugte, günstige Drehrichtung hinsichtlich der Strömungspulsation, des Volumenstroms und der akustischen Parameter gibt. Weiter wurden zahlreiche simulative Untersuchungen zur Feststellung der strukturmechanischen Eigenschaften und Geometrieoptimierung der Bogenverzahnung mittels FEM durchgeführt, da für die neu entwickelten Bogenverzahnungen keine genormten Berechnungsverfahren (wie z. B. EU-Norm DIN 3990) angewendet werden können. Neben der Werkstoffbeanspruchung hinsichtlich des kinematischen Übertragungsverhaltens wurden auch die unter statischen Belastungen auftretenden Verformungen und Spannungen untersucht. Dabei konnten Aussagen über die Änderung der Kontaktbedingungen und des Verformungsverhaltens von Gerad- und Bogenverzahnung beim Abwälzvorgang unter Betriebslast gemacht werden. Die Verzahnungssteifigkeit von Stirnrädern mit Bogen-, Geradund Schräg-Flankenformen wurde verglichen. Der Einfluss des Bogenradius auf die Lastverteilung und die Drehwegabweichung bzw. kinematischen Verzahnungsparameter wurde ebenfalls untersucht. Ferner wurde anhand der strukturmechanischen Simulationen der Vergleich der Zahnverlagerungen von gerad- und bogenverzahnter Stirnradpaare infolge der wirkenden hydraulischen und mechanischen Kraftanteile in charakteristischen Eingriffslagen sowie die Betrachtung der Zahnverlagerungen bogenverzahnter Stirnradpaare in Abhängigkeit der Drehrichtung gemacht. Die gewonnenen Simulationsergebnisse belegen die Vorteile sowie das hohe Potential der entwickelten Bogenverzahnung und motivieren zu deren breiten Einsatz in Zahnradpumpen und Getriebe-Mechanismen zur Drehmomentübertragung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analyse von Zähneverformung in der Kontaktzone der Zahnradpumpen mit Außenverzahnung, Internationale wissenschaftlich-technische Konferenz, Antriebe und Steuerungen Hydraulische und pneumatische, Szklarska Poreba- Jakuszyce, Polen, 18-20 März 2015
Fiebig, W., Stehle, T., Dobrinski, A.
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Erfindung „Zahnradpumpe mit Bogenverzahnung“, Patent auf Gebrauchsmuster Nr. 20 2014 007647.2, Tag der Anmeldung 15.07.2014, Tag der Eintragung 22.01.2015
Dobrinski, A., Stehle, T., Heisel, U., Mazey, R.
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Zylindrisches Evolventenstirnradgetriebe mit bogeschrägförmigen Zähnen, Bulletin of NTU „KhPI“, Kharkiv, Ukraine, 2015
Mazey, R., Stehle, T., Dobrinski, A.
