Steigerung der Leistungsfähigkeit des Kolbentrommel-Steuerspiegel Kontaktes in Axialkolbenmaschinen
Axialkolbenmaschinen sind die am meisteingesetzten hydraulischen Verdrängereinheiten für den mittleren bis hohen Druckbereich. Die Effizienz dieser Maschinen ist in erster Linie von den Verlusten in den vier wichtigsten tribologischen Kontakten, Kolben-Buchse, Kolben-Gleitschuh, Gleitschuh-Schrägscheibe und Kolbentrommel-Steuerspiegel, abhängig. In diesem Projekt werden neue Konzepte entwickelt, um die Leistungsfähigkeit dieses Kontakts mit neuen Beschichtungen weiter zu Steigern.
| Nutzen | Vorgehen |
|---|---|
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Steigerung der Lebensdauer und Effizienz des Kontaktes |
Entwicklung neuer Konzepte zur Vermeidung einer Verkippung der Kolbentrommel |
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Neue Beschichtungen ohne Blei (hart/weich) |
Ableitung der Anforderungen an den Kontakt für die Konzepte |
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Neue Kontaktpaarungen (hart/hart) |
Experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse |
| Erprobung neuer Kontaktpaarungen |
Kontakt
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Forschungsgruppe Hochleistungskomponenten
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Örtliche Extrembelastung durch die Verkippung der Kolbentrommel
Dieses Projekt baut auf den Ergebnissen aus dem Projekt „Simulative und experimentelle Untersuchung des Kontaktes Kolbentrommel-Steuerspiegel in Axialkolbenmaschinen“ auf. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Simulationsmodell aufgebaut, welches im aktuellen Projekt genutzt und erweitert wird. Das Simulationsmodell mit aktuellem Stand und den geplanten Erweiterungen im aktuellen Projekt ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt.
Mit diesem Simulationsmodell ist es möglich, bei geringer Rechenzeiten von wenigen Minuten die Vorgänge im Kontakt Kolbentrommel-Steuerspiegel für verschiedene Geometrien und Parameter zu untersuchen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Kolbentrommel innerhalb weniger Umdrehungen verkippt. Die minimale Spalthöhe liegt sowohl bei 4 als auch bei 5 im Hochdruck eingesteuerten Kolben in einem engen Winkelbereich. Die Prüfstandsversuche bestätigen das Ergebnis der Simulation. In Abbildung 2 sind die Ergebnisse aus der Simulation und dem Experiment dargestellt.
Diese örtlich nahezu konstante minimale Spalthöhe führt zu einer extremen Belastung der Oberflächen in diesem Bereich. Zum einen führt die geringe Spalthöhe zu Festkörperkontakt und damit direkt zu abrasiven Verschleiß. Weiter führen die Festkörperreibung zusammen mit der erhöhten Fluidreibung in diesem Bereich zu einer starken Temperaturerhöhung. Diese führt im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Beschichtung und so zum Ausfall des gesamten Systems.
Konzepte zur Vermeidung der Verkippung
Im hier vorgestellten Forschungsprojekt werden aktuell verschiedene Konzepte zur Vermeidung der Verkippung der Kolbentrommel entwickelt. Hierdurch soll ein System erarbeitet werden, das dem tribologischen Kontakt keine lokal begrenzte Lage der Wärmeeinbringung aufzwingt. Die geometrischen Anpassungen im Kontakt müssen in das Simulationsmodell implementiert und anschließend simulativ untersucht werden. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse werden die Konzepte weiter optimiert. Dieser iterative Prozess, eine Vielzahl verschiedener Gestaltvarianten zu simulieren und auszuwerten, ist zur zielgerichteten Auswahl geeigneter Methoden erforderlich. Erste Simulationsergebnisse zeigen das Potential einiger Lösungsansätze.
Danksagung
Das Forschungsvorhaben wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.
Veröffentlichungen
| Titel | Autor(en) |
|---|---|
| Experimental Investigation of New Design Concepts for the Tribological Contact between the Valve Plate and the Cylinder Block in Axial Piston Machines Beitrag zu einem Tagungsband (2021) | Geffroy, Stefan (Corresponding author) Wegner, Stephan Gels, Stefan Schmitz, Katharina |
| Experimental Validation of a New Design Concept for the Increase of Efficiency of the Hydraulic Drive System in Mobile Working Machines Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2021) | Geffroy, Stefan (Corresponding author) Brautlacht, Alexandra Wegner, Stephan Gels, Stefan Schmitz, Katharina |
| New Design Concepts for the Tribological Contact of Cylinder Block and Valve Plate Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2020) | Geffroy, Stefan Wegner, Stephan Gels, Stefan Murrenhoff, Hubertus Schmitz, Katharina |
| Optimization of the tribological contact of valve plate and cylinder block within axial piston machines Beitrag zu einem Tagungsband (2020) | Geffroy, Stefan (Corresponding author) Bauer, Niklas Mielke, Tobias Wegner, Stephan Gels, Stefan Murrenhoff, Hubertus Schmitz, Katharina |