Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen

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148 6 Pumpen und Motoren

Abb. 6.25 Schnittdarstellung einer einhubigen Flügelzellenpumpe [6.5]. 1 Rotor, 2 Flügel,

3 Steuernut Druckseite, 4 Steuernut Saugseite, 5 Stator (Gehäuse), e Exzentrizität

Die bei der exzentrischen Drehung entstehenden, einzelnen, gegeneinander ab-

gedichteten Kammern zwischen den Flügeln verändern ihr Volumen während ei-

ner Umdrehung des Rotors. Bei der Vergrößerung des Kammervolumens sind

diese Kammern mit der Saugöffnung verbunden und bei der Volumenver-

kleinerung besteht eine Verbindung zur Drucköffnung im Pumpengehäuse. Die

exzentrische Lage des Rotors bestimmt die Größe des Verdrängungsvolumens.

Durch Einstellung der Größe und der Wirkrichtung der Exzentrizität

e lassen sich

das

Verdrängungsvolumen und die Förderrichtung von Pumpen stufenlos

regulieren. Die Berechnung des Verdrängervolumens erfolgt mit Gl. (6.39). Ab-

bildung 6.26 enthält das Schnittbild einer realen Flügelzellenmaschine.

Abb. 6.26 Einhubige, direktgesteuerte Flügelzellenpumpe (Bosch Rexroth) [6.6].

1 Einstellschraube für konstantes Verdrängungsvolumen, 2 Einstellschraube für Regler,

3 Leckölanschluss

6.5 Bauarten von Hydromaschinen 149

)(2 szDbeV 

(6.39)

b Flügelbreite

e Exzentrizität

D Durchmesser der Gehäusebohrung

s Flügelstärke

z Anzahl der Flügel

Doppelhubige Flügelzellenpumpen

Sie unterscheiden sich von der einhubigen Ausführung durch das Vorhandensein

von je zwei Saug- und Druckanschlüssen. Die Anschlüsse werden gemäß Abb.

6.27 verbunden. Die Hubvolumenbildung läuft nach dem gleichen Prinzip wie bei

den einhubigen Pumpen ab. Anders ist nur, dass jedes Verdrängungselement

zweimal je Rotorumdrehung zur Volumenstromförderung genutzt wird und da-

durch eine geringere Förderstrompulsation festzustellen ist. Im Unterschied zur

einhubigen Ausführung ist hier keine Verstellung des Verdrängungsvolumens

möglich. Vorteilhaft für den Einsatz ist der Druckausgleich durch die sich gegen-

seitig aufhebenden Druckkräfte, die auf den Rotor wirken. Deshalb können dop-

pelhubige Flügelzellenpumpen auch für wesentlich höhere Drücke eingesetzt wer-

den.

Abb. 6.27 Schnitt einer doppelhubigen Flügelzellenpumpe [6.5]. 1 Stator, 2 Flügel, 3 Ro-

tor

Die Berechnung des Verdrängungsvolumens wird mit Gl. (6.40) vorgenommen

)

()(

azbkdDkbV





(6.40)

b Flügelbreite

k Anzahl der Verdrängerhübe (k=2 in Abb. 6.27)

150 6 Pumpen und Motoren

D größter Durchmesser der Innenkurve

d kleinster Durchmesser der Innenkurve

z Zahl der Flügel

a Flügelstärke.

Steht nur ein sehr geringer Einbauraum zur Verfügung, so werden oft Flügel-

zellenpumpen eingesetzt, z. B. für Servolenkungen von PKW. Sie zeichnen sich

durch geringe Laufgeräusche und günstige Förderstrompulsation aus.

Flügelzellenmotoren

Flügelzellenmotoren werden überwiegend als Konstantmotoren (Abb. 6.28) her-

gestellt. Es werden in seltenen Fällen auch Ausführungen mit veränderlichem Ver-

drängungsvolumen eingesetzt.

Abb. 6.28 Doppelhubiger Konstantmotor [6.7]

Für die Erzielung eines möglichst großen Drehmomentes sind jeweils drei oder

mehr Druck- und Rücklaufkammern am Umfang des Motorgehäuses angeordnet.

In der Praxis werden häufig langsamlaufende Flügelzellenmotoren mit Außen-

beaufschlagung eingesetzt. Durch die Aussparungen an der exzentrischen Um-

laufbahn wird die Steuerung der Zellenräume ermöglicht. Eine Einschränkung

sollte beim Einsatz von Flügelzellenmotoren beachtet werden: Die Reibung

zwischen den Flügeln und dem Stator bewirkt ein schlechtes Anlaufverhalten, was

sich in einem niedrigen Anlaufdrehmoment äußert [6.6].

6.5.4 Kolbenmaschinen

6.5.4.1 Axialkolbenmaschinen

Axialkolbenpumpen

Axialkolbenpumpen erzeugen das Verdrängungsvolumen mit Verdrängerkolben,

die auf einem Teilkreis angeordnet sind. Die Kolben stützen sich auf einer schräg

zu dieser Drehachse liegenden Ebene ab, wodurch der Hub der Kolben erzeugt

wird. Wird eine Axialkolbenmaschine als Hydropumpe betrieben, so wird die

Drehbewegung der angetriebenen Drehachse in eine translatorische Bewegung der

6.5 Bauarten von Hydromaschinen 151

Kolben transformiert. Die Hubbewegung der Kolben erzeugt einen pulsierenden

Förderstrom in einer von der Kolbenzahl und der Drehzahl der Antriebswelle ab-

hängigen Frequenz

f, die mit den Gln. (6.28 a) bzw. (6.28 b) berechnet werden

kann. Axialkolbenpumpen zeichnen sich durch ein günstiges Masse-Leistungs-

Verhältnis aus und werden mit konstantem oder verstellbarem Hubvolumen reali-

siert. Es gibt zwei Konstruktionsprinzipien:

Schrägscheiben- und Schrägachsen-

bauart.

Abb. 6.29 Grundprinzip einer Schrägscheibenmaschine. 1 Schrägscheibe, 2 Zylinder-

block, 3 Steuerscheibe

Bei

Schrägscheibenpumpen gemäß Abb. 6.29 rotiert der Zylinderblock und die

Schrägscheibe (Schiefscheibe) steht fest. Sie ist um den Winkel

schwenkbar im

Pumpengehäuse angeordnet. Auf ihr stützen sich die Verdrängerkolben über Gleit-

schuhe ab, die durch die Schiefscheibe geführt werden. Während der Rotation der

Zylindertrommel mit den eingesetzten Kolben um die Drehachse ergibt sich auf

dem Teilkreisdurchmesser der Zylindertrommel je nach Winkel

ein Kolbenhub.

Der Zylinderblock rotiert um die mechanisch angetriebene Drehachse an einer

Steuerscheibe. In ihr sind zwei nierenförmige Schlitze eingearbeitet, welche die

Saug- und die Drucköffnung darstellen. Die Änderung der Neigung der Schräg-

scheibe zum Zylinderblock ermöglicht die stufenlose Verstellung des Ver-

drängungsvolumens der Pumpe. Bei senkrechter Stellung der Schrägscheibe

gegenüber der Drehachse (

= 0°) ergibt sich kein Verdrängungsvolumen und

damit kein Förderstrom. Dieser Zustand wird als Nullförderung der Pumpe be-

zeichnet. Wird die Scheibe weiter über die Nullstellung hinaus geschwenkt, dann

wechselt die Richtung des Förderstromes, ohne dass sich die Antriebsrichtung

ändert. Das Verdrängungsvolumen wird mit Gl. (6.41) berechnet

tan2



rzdV .

(6.41)

z Anzahl der Verdrängerkolben

Teilkreisradius der Zylindertrommel

Kolbendurchmesser

Schwenkwinkel

152 6 Pumpen und Motoren

Vorteilhaft ist die kompakte, raum- und gewichtssparende Konstruktion, die stu-

fenlose Einstellung des Hubvolumens und die Einsatzmöglichkeit bei hohen Drü-

cken. Diese Eigenschaften und die gute Schmierwirkung durch die hydrostatisch

gelagerten Gleitschuhe der Kolben ermöglichen eine hohe Lebensdauer.

Schräg-

scheibenpumpen

eignen sich für geschlossene und offene Kreisläufe. Für einen

durchgängigen Antrieb können mehrere Pumpen, die als Kombinationspumpe

ausgelegt sind, hintereinandergeschaltet werden. Man spricht dann von einer Se-

rienschaltung oder Durchtriebsmöglichkeit für weitere Pumpen.

Charakteristisch

für Schrägachsenpumpen (Abb. 6.30) ist, dass der Zylinder-

block um den Schwenkwinkel

zur Antriebswelle geschwenkt und über Kolben-

stangen, die in Kugelgelenken am Antriebsflansch gelagert sind, von der An-

triebswelle angetrieben wird

. Die in Abb. 6.30 dargestellte Bauart gibt es als

Konstant- oder Verstellpumpen.

sin2



rzdV .

(6.42)

z Anzahl der Verdrängerkolben

Teilkreisradius der Zylindertrommel

Kolbendurchmesser

Schwenkwinkel.

Beim Schrägachsenprinzip sind die Kolben gelenkig und achsenparallel auf einem

Zylindermantel, der gegenüber der Antriebswelle schräggestellt ist, angeordnet.

Während der Drehung der Zylindertrommel führt jeder der Kolben in seiner Zy-

linderbohrung pro Trommelumdrehung je einen Saug- und einen Druckhub aus.

Abb. 6.30 Schema einer Schrägachsenmaschine. 1 Antriebswelle, 2 Kugelgelenk, 3 Kol-

ben, 4 Steuerscheibe, 5 Zylindertrommel, 6 Triebflansch

6.5 Bauarten von Hydromaschinen 153

Abb. 6.31 Schrägachsen-Konstantpumpe mit Kegelkolbentriebwerk (Bosch Rexroth)

Die Verstellung des Verdrängungsvolumens erfolgt durch Schwenkung eines

Teiles des Gehäuses um den Winkel

. Sie kann mechanisch oder hydraulisch

vorgenommen werden. Das Öffnen und Schließen der Zylinderräume erfolgt über

die in der Steuerscheibe angeordneten Saug- und Drucknieren, die eine Schlitz-

steuerung darstellen. Schrägachsenpumpen, z. B. gemäß Abb. 6.31, können nicht

mit mechanischem Durchtrieb realisiert werden. Der Druckanschluss muss durch

das Schwenklager hindurch oder mittels einer Gleitführung der Steuerscheibe ge-

leitet werden. Bei Nutzung nur einer Drehrichtung kann unmittelbar aus dem Ge-

häuse angesaugt werden. Es gibt unterschiedlichste Ausführungsformen, die Kol-

ben mit Kugelstange, Kegelkolben oder Kugelkolben nutzen. Die Berechnung des

Verdrängungsvolumen erfolgt mit Gl. (6.42).

Axialkolbenmotoren

Prinzipiell können alle bisher beschriebenen Kolbenpumpen auch als Motoren ge-

nutzt werden. In der Praxis werden aber vorrangig Axialkolbenmotoren eingesetzt.

Es werden Schrägscheiben- und Schrägachsenmotoren verwendet. Allerdings

kann der Schrägachsenmotor mit größerem Schwenkwinkel gebaut werden, der

vor allem für Anlaufvorgänge (Drehmoment) und größere Leistungen wichtig ist.

Motoren werden i. Allg. für beide Drehrichtungen ausgelegt. Damit ist das Vor-

handensein einer äußeren Leckstromleitung unabdingbar. Die Drehmoment-

begrenzung erfolgt durch mechanische Anschläge, die dem minimalen und

maximalen Verdrängungsvolumen entsprechen. Der Einsatz erfolgt oft in hydro-

154 6 Pumpen und Motoren

statischen Getrieben in den verschiedensten Anwendungsgebieten, u. a. Fahrzeug-

bau, Werkzeugmaschinen, Fördertechnik und Schiffbau.

Taumelscheibenmaschinen

Bei dieser Bauart treibt die Antriebswelle eine Taumelscheibe an, die ihre axiale

Bewegung auf nicht rotierende Kolben überträgt. Die Kolben werden durch Fe-

dern an die Taumelscheibe gedrückt. Die Druckkräfte zwischen Kolben und Tau-

melscheibe werden von einem Axiallager aufgenommen. Da die Taumelscheibe

geometrisch nicht verstellbar ist, gibt es nur Maschinen mit konstantem Ver-

drängungsvolumen. In Abb. 6.32 ist das Prinzip einer Taumelscheibenpumpe dar-

gestellt.

Abb. 6.32 Prinzip einer Taumelscheibenpumpe. 1 Antriebswelle, 2 Taumelscheibe,

3 Axiallager, 4 Kolben, 5 Feder, 6 Ventilsteuerung

6.5.4.2 Radialkolbenmaschinen

Radialkolbenmaschinen sind Schubkolbenmaschinen mit radial angeordneten

Kolben. Sie finden ihren Hauptanwendungsbereich vorwiegend in stationären Hy-

droanlagen mit hohen Drücken. Wie bei allen Drehkolbenmaschinen ist beim Ein-

satz als Pumpe die Anzahl der Kolben entscheidend für die Förderstrompulsation.

Um mit einer geringen Kolbenzahl eine möglichst niedrige Förderstrompulsation

zu erreichen, werden Radialkolbenpumpen üblicherweise mit fünf, sieben oder

neun Kolben, d. h. mit ungerader Kolbenzahl ausgeführt [6.8]. Radialkolben-

maschinen können sowohl als Konstant-, als auch als Verstellmaschinen gebaut

werden. Die stufenlose Verstellung des Kolbenhubes und damit des Ver-

drängungsvolumens erfolgt vom Minimalwert bis zum Maximalwert. Wenn die

Pumpe über den Nullpunkt hinaus geschwenkt werden kann, kehrt sich die Förder-

richtung des Volumenstromes um. Man unterscheidet die Bauarten von Radial-

kolbenmaschinen nach der Lage der Kolbenabstützung.

6.5 Bauarten von Hydromaschinen 155

Radialkolbenpumpe mit äußerer Kolbenabstützung

Die Längsachsen von Antriebswelle und Kolben stehen senkrecht aufeinander.

Die Zu- und Abflusskanäle, die den Saug- und Druckraum darstellen, befinden

sich im Steuerzapfen bzw. werden durch eine Steuerscheibe oder Ventile an-

gesteuert. Die Kolben stützen sich über Gleitschuhe, Rollen bzw. Gleitsteine auf

der exzentrisch zum Zylinderblock gelagerten Außenbahn ab (s. Abb. 6.33 b).

a b

Abb. 6.33 Radialkolbenpumpe. a innere Kolbenabstützung b äußere Kolbenabstützung,

1 Zylinderblock, 2 Kolben, 3 Exenterwelle, 4 Kolbenabstützung, 5 Außenring, 6 Welle

Durch die Exzentrizität

e zwischen dem Zylinderkörper und der Außenbahn, in

dem die Kolben radial in einer Ebene um die Antriebsachse angeordnet sind, wer-

den die Kolben bei jeder Umdrehung des Zylinderkörpers zur translatorischen

Bewegung mit dem Weg 2



e gezwungen. Jeder Kolben führt pro Umdrehung ei-

nen Saug- und einen Druckhub aus. Die sich durch die Hubbewegung einstellende

Förderwirkung ist bei Stellpumpen durch die Änderung der Exzentrizität

e stufen-

los einstellbar. Die Berechnung des Verdrängungsvolumens wird mit Gl. (6.43)

vorgenommen

zedV

 2

(6.43)

Durchmesser eines Kolbens e Exzentrizität z Anzahl der Kolben

Damit ergeben sich die nachfolgend dargestellten Eigenschaften:

 sehr lange Lebensdauer und minimaler Verschleiß infolge idealer Schmierung

aller Bauteile durch Druckflüssigkeit,

 sehr robust, zuverlässiger Dauerbetrieb auch bei sehr hohen Drücken, dadurch

geringe Betriebskosten,

 günstiges Ansaugverhalten und geringe Leckverluste, dadurch günstige Wir-

kungsgrade und hohe Leistungsdichte,

 guter Füllungsgrad und feinfühlige Verstellbarkeit,

 über null steuerbar,

 empfindlich gegen verschmutzte Hydraulikflüssigkeit,

156 6 Pumpen und Motoren

 sperrige Bauform,

 bei Motoren größeres Trägheitsmoment gegenüber Axialkolbenmotoren.

Radialkolbenpumpe mit innerer Kolbenabstützung

Bei Radialkolbenpumpen mit innerer Kolbenabstützung gemäß Abb. 6.33 a wird

das Verdrängungsvolumen erzeugt, indem eine rotierende Exzenterwelle eine ra-

dial oszillierende Kolbenbewegung bewirkt. Der Exzenter befindet sich außerhalb

des Zylinderkörpers. Die Kolben liegen ebenfalls radial in einer Ebene, werden

jedoch von innen beaufschlagt. Sie stützen sich im Umlaufgehäuse ab. Um auf-

tretende Reibungsverluste gering zu halten, kann die Abstützung der Kolben auch

gegen einen mit Läuferdrehzahl umlaufenden Zylinder erfolgen [6.10]. Die Steue-

rung des Fluidstromes erfolgt über Ventile, die die Trennung von Saug- und

Druckraum realisieren. Dabei arbeiten in Abhängigkeit von der Kolbenzahl immer

gleichzeitig mehr als ein Kolben als Saug- bzw. Druckkolben. Das Verdrängungs-

volumen kann ebenfalls mit Gl. (6.43) berechnet werden.

In Abb. 6.34 ist eine ausgeführte Bauart mit drei Kolben dargestellt. Die Ex-

zentrizität der Antriebswelle bewirkt bei jeder Umdrehung einen Hub der Kolben.

Durch die Druckfeder wird die Zylinderbuchse an den Kugelkopf gedrückt und

somit die erforderliche Dichtwirkung zwischen Saug- und Druckseite erzielt.

Abb. 6.34 Aufbau einer Radialkolbenpumpe mit innerer Kolbenabstützung (Bosch Rex-

roth). 1 Pumpengehäuse, 2 Saugraum, 3 Kolbenelement mit Steuerung, 4 Rotor

6.5 Bauarten von Hydromaschinen 157

Radialkolbenmotoren

Radialkolbenmotoren werden überwiegend als reversible Langsamläufer mit Ex-

zenterwelle eingesetzt. Dabei handelt es sich um Motoren mit Innenbeauf-

schlagung, bei denen die Steuerung der Hydraulikflüssigkeit durch einen mit der

Motorwelle gekoppelten Steuerschieber realisiert wird [6.3].

Für den Einsatz bei schweren Antrieben, wie z. B. Winden, Rührwerken, Bag-

gern, Schiffsruder oder Krananlagen eignen sich Radialkolbenmotoren gut, da sie

schon bei geringen Drehzahlen ein großes Drehmoment abgeben.

Radialkolbenmotor mit äußerer Kolbenabstützung

Diese Hydromotoren gleichen im Aufbau weitgehend den typgleichen Hydro-

pumpen und zeichnen sich durch sehr hohe Drehmomente bei niedrigen Dreh-

zahlen aus (Langsamläufermotor). Abbildung 6.35 ist zu entnehmen, dass die

Hubkurve hierbei nicht ringförmig, sondern gleichmäßig gewellt ist. Dadurch

führen die Kolben mehrere Hubbewegungen pro Rotorumdrehung aus. Auf der

welligen Hubkurve stützen sich die sternförmig und gleichmäßig angeordneten

Kolben über Rollen ab. Die Versorgung mit Druckflüssigkeit erfolgt von der

Steuerung über axiale Bohrungen, welche in den einzelnen Zylinderräumen ein-

gebracht sind. Jeder Kolben wird mit Hydraulikflüssigkeit über zwangsläufig ge-

steuerte Ventile be- oder entlastet, d. h., entweder mit der Druckseite oder mit der

Rücklaufseite des Motors verbunden. Das von der Form der Hubkurve abhängige

Drehmoment wird durch eine Verzahnung von der Rotor/Kolbengruppe auf die

Abtriebswelle übertragen.

Abb. 6.35 Radialkolbenmotor nach Mehrhubprinzip (Bosch Rexroth)

Vorteilhaft bei Mehrhubmotoren sind die kompakte und robuste Bauweise, die

gleichförmige Drehbewegung auch bei niedrigsten Drehzahlen, minimales Be-

triebsgeräusch und einfache Reversierbarkeit. Der Einsatz erfolgt oft als reversier-