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Adaption hydraulischer Verdrängereinheiten an umweltverträgliche Basissysteme

Kontext

Hydrostatische Verdrängereinheiten, wie Pumpen und Motoren, sind wesentliche Bauteile hydraulischer Antriebe. In ihnen erfolgt die Umsetzung mechanischer Leistung in hydraulische und umgekehrt. Aus fluidtechnischer Sicht haben hydrostatische Verdrängereinheiten als auch die üblichen Druckmedien einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Um den auftretenden Belastungen gerecht zu werden, wurde viel Entwicklungsaufwand in die Formulierung und Additivierung von Druckmedien auf Mineralölbasis investiert. Die dabei entstandenen Medien sind schlecht biologisch abbaubar und toxisch. Sollen umweltverträgliche Basisflüssigkeiten ohne Additive zur Reibungsminderung und zum Verschleißschutz verwendet werden, so müssen wichtige tribologische Eigenschaften vom Druckmedium auf die Werkstoffe übertragen werden. Im Teilprojekt B4 des Sonderforschungsbereichs SFB 442 erfolgten der Übertrag und die damit verbundene Anpassung an die veränderten Umgebungsbedingungen. Hierzu kamen neuentwickelte PVD-Beschichtungen zum Einsatz.

Untersuchungen

Aus einer allgemeinen Betrachtung von Verdrängereinheiten werden die Hauptsächlich belasteten Tribosysteme ersichtlich (Bild 1):

  • Kolbentrommel/Steuerspiegel
  • Kolben/Zylinderbohrung
  • Gleitschuh/Schrägscheibe
  • Kugelgelenk/Gleitschuh
Tribosysteme einer Axialkolbenpumpe
Bild 1: Tribosysteme einer Axialkolbenpumpe

Die Schichtentwicklung wurde an einem Rotationtribometer (Bild 2) mit Modellkörpern (Bild 3) nach dem Prinzip von Siebel und Kehl durchgeführt. Die Situation realer Tribosysteme ist so in weiten Bereichen sehr gut nachstellbar und vereinfacht den Prüfbetrieb gegenüber dem realen Bauteil erheblich.

Rotationstribometer
Bild 2: Rotationstribometer
Probekörper
Bild 3: Probekörper

Aus einem anfänglich breiten Spektrum verschiedener Beschichtungssysteme hat sich das Modell einer gradiert aufgebauten ZrC-Schicht (ZrCg) herauskristallisiert. Es verfügt über hervorragende Eigenschaften in Reibung und Verschleiß (Bild 4). Gegenüber der ebenfalls äußerst guten Schicht HfCg sind bei ZrC die Rohstoffkosten um ein Vielfaches geringer und die Schicht zeigt bei hohen Belastungen besseres Verschleißverhalten.

Darstellung der Reibverläufe über der Drehzahl in der Stribeckkurve
Bild 4: Darstellung der Reibverläufe über der Drehzahl in der Stribeckkurve

Die Besonderheit gradierter Schichten ist ein wachsender Kohlenstoffgehalt mit zunehmender Schichtdicke und damit einer von der Schichthöhe abhängigen Härte (Bild 5). Die weichen Lagen der Schicht werden abhängig von der Belastung durch Verschleiß abgetragen und legen damit zunehmend harte Lagen frei, die mit steigender Härte eine höhere Verschleißresistenz aufweisen. Damit ist mit diesem Konzept ein Einlaufen, wie es für hydraulische Verdrängermaschinen üblich und notwendig ist, möglich.

Schnitt einer ZrCg-Schicht Schnitt einer ZrCg-Schicht

Bild 5: Schnitt einer ZrCg-Schicht

Eine ZrCg-Schicht ist auf einem Steuerspiegel und auf Kolben von Axialkolbeneinheiten getestet worden und hat gute Ergebnisse erzielt.

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