Entwicklung und Untersuchung einer geräusch- und pulsationsarmen Hydraulikpumpe mit Kreisbogenverzahnung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Uwe Heisel
• Subject Area: Engineering Design, Machine Elements, Product Development
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 218896370

Außenzahnradpumpen (AZP) sind zuverlässig, günstig, kompakt und haben einen hohen Wirkungsgrad. Trotz vieler Untersuchungen 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. Um diese Nachteile zu minimieren, verwenden die Pumpenhersteller hierzu Zahnräder mit Sonderprofilen bzw. Feinkorrekturen der Eingriffsgeometrie, spielfreie Verzahnungen, Pfeil- und Schrägverzahnungen und weitere Maßnahmen in der Pumpenkonstruktion. Allerdings können nicht alle Probleme durch die genannten Optionen vollständig gelöst werden. Z.B. verbessert die Anwendung der Schrägverzahnung die Pumpenakustik und die Strömungsstabilität, sie führt aber zur Entstehung von größeren Axialkräften. Demzufolge werden der Aufbau und die Fertigung der Pumpe komplexer und dementsprechend teurer. Mittels der Pfeilverzahnung können die unerwünschten axialen Kräfte kompensiert werden. Aber die Herstellung von Pfeilzahnrädern ist komplizierter und kostenintensiver im Vergleich mit Schrägzahnrädern. Die Entwicklung der spielfreien SILENCE-Verzahnung mit rundem Zähneprofil (ist auch als Verzahnung mit Zweiflankendichtung bekannt) verspricht eine wesentliche Lärmsenkung und niedrige Volumenstrompulsation im Vergleich zu einer Standardpumpe mit Evolventenverzahnung, da die Ölquetschung im Kammervolumen zwischen den Zahnrädern durch die Zähneprofilgeometrie ausgeschlossen wird. Allerdings sind die Fertigungskosten der SILENCE-Pumpe wesentlich höher als die einer Standardpumpe. Weitere Verbesserungen der Eigenschaften gegenüber den Standardpumpen bieten die DUO-Pumpen mit zwei gleichen Zahnradpaaren in einem Gehäuse, die um eine halbe Teilung gegeneinander versetzt sind. Trotz diesen Vorteilen ist der Aufbau dieser Pumpen wesentlich aufwendiger und nicht so kompakt wie bei Standardpumpen. Im Unterschied zu den bekannten Pumpen- Varianten besteht eine Möglichkeit, durch Änderung der Zahnform entlang der Flankenlinie mit einem Kreisbogen der Pumpenverzahnung die vorhandenen Probleme von AZP zu lösen. Die Form des eigentlichen Zahnprofil kann dann beliebig bleiben. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer geräusch- und pulsationsarmen, kompakten und wirtschaftlichen Außenzahnradpumpe mit Kreisbogenverzahnung. Um dieses Ziel zur erreichen, werden zuerst die hydraulischen und akustischen Eigenschaften einer Standard- Zahnradpumpe (im Folgenden als Referenzpumpen A genannt) untersucht. Den Gutachterhinweisen des Vorantrags folgend, wird auch eine SILENCE-Plus Pumpe (Referenzpumpe B) messtechnisch erfasst. Um wissenschaftlich korrekt die Pumpen vergleichen zu können, werden neue serienmäßige AZP’s der zwei verschiedenen Bauarten (Standard und SILENCE-Plus) mit gleichem Fördervolumen getestet. Daher kann auf bereits vorhandenes Datenmaterial leider nicht zurückgegriffen werden. Weiter wird ein CAD-Modell der Referenzpumpe A aufgebaut. Das Modell wird in zu erstellende CFD-Tools zur Simulation der hydraulischen Parameter importiert. Die Ergebnisse der Simulationen werden mit den Daten der Pumpenhersteller verglichen. Auf Basis des Referenzmodells A erfolgt anschließend die Erstellung einiger Modelle der Pumpe mit unterschiedlichen Varianten der Kreisbogenverzahnung. Hier werden die Form des Bogenzahnes und der Fußausrundung variiert. Nach dem Vergleich der CFD-Ergebnisse wird das beste Modell für die anschließende hydraulische Optimierung verwendet. Der hydraulisch optimierte Pumpenprototyp wird gefertigt und experimentell untersucht. Ferner folgen FEM-Berechnungen zur Optimierung der Bogenzähne im Abwälzvorgang unter Betriebslast. Dadurch entsteht ein hydraulisch und mechanisch optimiertes Modell der Kreisbogenverzahnung. Im letzten Projektabschnitt wird die hydraulisch und mechanisch optimierte Verzahnung gefertigt, ins Pumpengehäuse eingebaut und experimentell untersucht. Die Volumenstrompulsation, die Fördermenge und der Schalldruckpegel werden unter verschiedenen Betriebsbedingungen experimentell erfasst und mit den gemessenen Parametern der Referenzpumpen A und B verglichen. Den Abschluss des Vorhabens bildet die Erstellung von Konstruktionsempfehlungen und Richtlinien für die Dimensionierung, Auslegung, Konstruktion und Fertigung von Kreisbogenverzahnungen von Außenzahnradpumpen mit Kreisbogenverzahnung.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Dr.-Ing. Thomas Stehle