Verlustanalyse am Kolben-Buchse-Kontakt von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise

  • Loss analysis at the piston-bushing contact of axial piston pumps in swash plate design

Gärtner, Markus; Murrenhoff, Hubertus (Thesis advisor); Schmitz, Katharina (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Reihe Fluidtechnik. D 97
Seite(n)/Artikel-Nr.: xvii, 133 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Der Kolben-Buchse-Kontakt in Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise ist einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt und hat erheblichen Einfluss auf das Betriebsverhalten und die Effizienz der gesamten Verdrängereinheit. In der Baugruppe Kolben - Zylinder treten mechanische Verluste, das heißt Reibkräfte und Reibmomente sowie volumetrische Verluste, in Form von Leckage, und auch Kompressionsverluste auf. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle, analytische und simulative Methoden zur Beschreibung der Verluste herangezogen. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen an einem Einkolbenprüfstand im Prüffeld des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas). Aufgrund des großen einstellbaren Betriebsbereichs sind Zustände unter reiner Flüssigkeitsreibung, aber auch unter Mischreibung abbildbar. Ergebnisse die axiale Reibkraft und die Leckage betreffend und die daraus ermittelten Verlustarbeiten sind Grundlage der weiterführenden Analyse. Mithilfe eines analytischen Ansatzes gelingt die korrekte Berechnung der Leckage, sofern treffende Werte für die Kolbenexzentrizität angenommen werden. Eine Verbesserung des Berechnungsergebnisses wird durch die Berücksichtigung der gemessenen Temperaturverteilung im Dichtspalt erzielt. Die Kompressionsarbeit wird unter Berücksichtigung des druckabhängigen Kompressionsmoduls berechnet. Die Ergebnisse der Mehrkörpersimulation mit elastohydrodynamischer Kopplung der Lagerstellen bietet weitere Einblicke, die durch Versuche nach derzeitigem Stand der Technik nicht verlässlich ermittelt werden können. Anhand von drei Simulationsmodellen des Einkolbenprüfstands mit unterschiedlicher Komplexität werden neben den Verlustkenngrößen Reibkraft, Reibmoment und Leckage auch die radiale Kolbenverlagerung und die resultierenden Kontaktdrücke analysiert. Dem Einfluss des Betriebspunkts und der Kolbenrotation wird besondere Beachtung geschenkt. Daraufhin werden die Verlustanteile in Abhängigkeit von den Betriebsparametern Druck und Drehzahl aufgetragen. Daraus können die wesentlichen Verlustursachen abgeleitet werden. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Analysemethoden hinsichtlich des Aufwands und der möglichen Fehlerquellen.

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