Entwicklung einer Hochdrehzahl-Innenzahnradpumpe für die Elektrifizierung mobiler Anwendungen am Beispiel einer autarken dezentralen elektro-hydraulischen Achse
von Tobias PietrzykVor dem Hintergrund der Elektrifizierung im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen gilt es die Leistungsdichte von elektro-hydraulischen Antrieben zu steigern und dadurch den baulichen Restriktionen in der Mobilhydraulik gerecht zu werden. Die Nutzung von High-Speed Komponenten mit Drehzahlen oberhalb von 10 000 U/min trägt wesentlich zur Verbesserung der Leistungsdichte bei, scheitert jedoch an der Drehzahlgrenze aktueller Pumpen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Hochdrehzahltauglichkeit am Beispiel einer spaltkompensierten Innenzahnradpumpe, für eine Antriebsdrehzahl von 10 000 U/min mit einem Fördervolumen von ca. 4 cm³, untersucht. Dazu werden die kinematischen, mechanischen und hydraulischen Vorgänge innerhalb der Pumpe betrachtet. In der Berechnung des Triebwerks werden die in einer Innenzahnradpumpe wirkenden Kräfte und Momente beleuchtet sowie der kinematische Förderprozess diskutiert. Weiter wird der Einfluss der geometrischen Abmessungen des Triebwerks auf die Drehzahlgrenze mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen betrachtet. Anschließend erfolgt die Auslegung der radialen und axialen Spaltkompensation anhand von simulativen Betrachtungen. Die Ergebnisse der Berechnungen fließen in die konstruktive Umsetzung einer Hochdrehzahl-Innenzahnradpumpe ein. In der messtechnischen Komponentenerprobung wird die Hochdrehzahltauglichkeit experimentell nachgewiesen und die Teil- und Gesamtwirkungsgrade diskutiert.
Als eine mögliche Anwendung wird die Hochdrehzahl-Innenzahnradpumpe in einer dezentralen elektrohydraulischen Achse, welche den Stielzylinder eines Kompaktbaggers ersetzt, messtechnisch erprobt. Dazu wird eine hydraulische Systemarchitektur mit entsprechendem Steuerungs- und Regelungskonzept im 4-Quandrantenbetrieb vorgestellt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Hochdrehzahltauglichkeit am Beispiel einer spaltkompensierten Innenzahnradpumpe, für eine Antriebsdrehzahl von 10 000 U/min mit einem Fördervolumen von ca. 4 cm³, untersucht. Dazu werden die kinematischen, mechanischen und hydraulischen Vorgänge innerhalb der Pumpe betrachtet. In der Berechnung des Triebwerks werden die in einer Innenzahnradpumpe wirkenden Kräfte und Momente beleuchtet sowie der kinematische Förderprozess diskutiert. Weiter wird der Einfluss der geometrischen Abmessungen des Triebwerks auf die Drehzahlgrenze mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen betrachtet. Anschließend erfolgt die Auslegung der radialen und axialen Spaltkompensation anhand von simulativen Betrachtungen. Die Ergebnisse der Berechnungen fließen in die konstruktive Umsetzung einer Hochdrehzahl-Innenzahnradpumpe ein. In der messtechnischen Komponentenerprobung wird die Hochdrehzahltauglichkeit experimentell nachgewiesen und die Teil- und Gesamtwirkungsgrade diskutiert.
Als eine mögliche Anwendung wird die Hochdrehzahl-Innenzahnradpumpe in einer dezentralen elektrohydraulischen Achse, welche den Stielzylinder eines Kompaktbaggers ersetzt, messtechnisch erprobt. Dazu wird eine hydraulische Systemarchitektur mit entsprechendem Steuerungs- und Regelungskonzept im 4-Quandrantenbetrieb vorgestellt.